DOŚWIADCZENIA Z EKSPLOATACJI MEW O ZMIENNEJ PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

Transkrypt

1 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 3/212 (96) 97 Tomasz Węgiel, Daiusz Bokowski Politechika Kakowska, Kaków DOŚWIAZENIA Z EKSPLOATACJI MEW O ZMIENNEJ PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ EXPLOITATION EXPERIENCES OF VARIABLE SPEED SHP Abstact: Electical geeatos fo today s Small Hydopowe Plats (SHP) ae desiged fo a costat otatio speed. Chages of eegy povided by wate deped o wate flow, which is vey ueliable fo small ives. Theefoe, full efficiecy ca be achieved fo powe techology with geeatos wokig at a vaiable speed. This pape pesets a cocept of a eegy covesio system optimizatio fo applicatio i a SHP which is based o a pemaet maget (PM) geeatos with a popelle tubie itegated with the geeato otos. These PM geeatos ca wok at a vaiable speed ad theefoe eegy poduced by the PM geeatos have to be coveted by meas of a powe electoic uit to fit to the theephase powe gid paametes. The elemets of such SHP ae descibed. Due to oliea tubie chaacteistics it is ecessay to fomulate a suitable cotol algoithm fo the whole system of eegy covesio theefoe the cotol system piciples fo optimal powe poductio ad hydoset opeatio i stable way ae discussed. 1. Wstęp Odejście od, pzyjmowaej powszechie w Małych Elektowiach Wodych (MEW), zasady utzymywaia stałej pędkości obotowej geeatoa pozwala zapewić uzyskiwaie optymalych watości spawości tubi pzy fluktuacjach pzepływu, jak i ówieŝ spadu [1, [2, [4. Zagadieie to jest szczególie istote w pzypadku MEW, gdzie stosuje się, ze względu a obiŝeie kosztów, tubiy śmigłowe, w któych występuje jedyie moŝliwość egulacji w układzie otwacia apaatu kieowiczego. Jedym z ekspeymetalych ozwiązań opisaym w pacy, jest zastosowaie iewymagającego pzekładi, geeatoa woloobotowego z magesami twałymi (PMSG), w któym tubia śmigłowa o ustawioych a stałe łopatach jest zitegowaa z wiikiem geeatoa (Rys. 1) [3, [1. W ozwiązaiu tym wiik geeatoa z aklejoymi powiezchiowo magesami twałymi jest abudoway bezpośedio a zewętzym pieścieiu tubiy i pacuje w całkowitym zauzeiu w wodzie. Stoja geeatoa posiada klasyczą budowę z tym, Ŝe jest od wewątz wodoszczely i umieszczoy jest w obudowie całego hydozespołu a zewątz główego kaału pzepływu wody. Tubia hydozespołu jest pojektowaa a zasadach idywidualego dopasowaia do wauków atualych zeki a podstawie daych hydologiczych [1. Elemetem kotolującym pzepływ wody jest układ kieowiczy, steoway tak, aby zapewić maksymalą podukcję eegii, iezaleŝie od pędkości obotowej. Kąt otwacia apaatu kieowiczego uzaleŝioy jest główie od aktualych moŝliwości hydologiczych, czyli bieŝącej watości pzepływu [1. Geeacja eegii elektyczej pzy duŝej zmieości pędkości obotowej geeatoów wymaga, jedakŝe zastosowaia odpowiediego pzekształtikowego układu eegoelektoiczego dopasowującego paamety wytwazaej eegii do wymagań sieci elektoeegetyczej [5, [6, [7. W atykule zapezetowao budowę tou pzetwazaia eegii zeczywistej MEW wyposaŝoej w zitegowae hydozespoły o mocy 75kW. Paca pzedstawia ówieŝ stategię steowaia mocą hydozespołu pozwalającą a stabilą pacę całego układu oaz uzyskiwaie optymalych spawości pzetwazaia eegii.

2 98 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 3/212 (96) Układ kieowiczy Łopaty tubiy Wylot Stoja geeatoa Wlot Wiik z magesami twałymi Rys. 1. Główe elemety hydozespołu 2. To pzetwazaia eegii Pojekt i wykoaie geeatoa z magesami twałymi zitegowaego z tubią śmigłową wymaga idywidualego podejścia z uwagi a specyficze wauki pacy w wodzie oaz azucoe pzez pojektata tubiy wymiay wewętze wiika. Rys. 4. Widok hydozespołu od stoy wylotu Rys. 2. Widok zmotowaego hydozespołu Dae zamioowe geeatoa: P NG =75kW, U NG = 5 V, N =3 pm. Zmiay pędkości obotowej powadzą do popocjoalych zmia częstotliwości oaz watości apięcia geeatoa z magesami twałymi stąd iezbędym jest zastosowaie układu pzekształtikowego dopasowującego paamety geeowaej eegii do wymagań sieciowych. Na yku istieją gotowe ozwiązaia układów eegoelektoiczych, pzekształcających paamety eegii elektyczej, któe mogą być wykozystae w MEW. Jedym z takich układów jest opacoway pzez fimę TWERD pzekształtikowy układ geeacyjy (PUG) PZG75kW złoŝoy zgodie z Rys. 5, z postowika diodowego (AC/), układu podwyŝszającego apięcie (/) oaz falowika PWM (/AC) [9. Rys. 3. Widok hydozespołu od stoy wlotu

3 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 3/212 (96) 99 Postowik Diodowy / T i Falowik PWM Steowik u i Steowik s U Falowika ( u G, i G) I ( u s, is ) Rys. 5. Schemat blokowy pzekształtikowego układu geeacyjego Zadaiem steowika U jest wysteowaie pzełączaiem tazystoa T w układzie / (Rys. 6.) w celu podwyŝszeia apięcia a wejściu falowika PWM do poziomu p. U = 65V, gdyŝ miimaly poziom apięcia, jaki jest wymagay, aby umoŝliwić pzetwazaie i pzepływ eegii od stoy geeatoa do sieci wyosi u u 2 mi > 3 U ph sieci. W układzie / popzez zadawaie ogaiczeia pądu I w obwodzie jest moŝliwe bezpośedie steowaie pądem pobieaym z geeatoa, co jest istotym zagadieiem z puktu widzeia optymalizacji i dopasowaia chaakteystyki pzekształtikowego układu geeacyjego waz z geeatoem do puktów optymalej mocy a chaakteystyce tubiy. Zmiay apięcia wypostowaego z geeatoa powodują popocjoalą zmiaę mocy oddawaej pzy zadaym poziomie I. L T i D u U Szya C F u W układzie pzekształtikowym /AC (Rys. 7) do steowaia falowikiem PWM wykozystao algoytm DPCSVM, czyli bezpośediego steowaia mocą ze spzęŝeiem od witualego stumieia sieci (ag. Vitual Flux Diect Powe Cotol) z modulatoem SVM [5. Algoytm te bazuje a zamkiętej pętli egulacji chwilowej mocy czyej i bieej, i jest wykozystyway w pzekształtikowych układach apędowych. Szya U u PIU i p u Falowik PWM Modulato SVM uα pq u β αβ u q u p θ ω PIq PIp Pętla PLL q = i α Sieć elektoeegetycza 3x4V, 5Hz ab αβ i β Estymato stumieia ψα ψβ Estymato mocy q p 3 x L Rys. 7. Schemat blokowy układu /AC ealizującego algoytm DPC SVM W układzie /AC popzez zadawaie ogaiczeia pądu jest moŝliwe bezpośedie steowaie pądem sieciowym, a tym samym egulowaa jest moc pzekazywaa z układu do sieci. i a i b PWM PI I i i PII Rys. 6. Schemat blokowy układu podwyŝszającego apięcie / Rys. 8. Wygląd zewętzy dwóch PUG

4 1 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 3/212 (96) 5 45 = 345pm> S W [k P [pm Rys. 1. P () U = 65V; = 275pm = I Rys. 9. Wygląd wewętzy szafy PUG Moc czyą pzekazywaą z geeatoa do sieci moŝa zapisać astępująco: U η 2 P( ) = 3U s NG N = I gdy < < (1) S S (2) gdy S > S NG s I U s I = N (3) η U 2/3 N U 2U NG = (4) gdzie: η jest spawością układu eegoelektoiczego, a jest pędkością, pzy któej układ / pzestaje podbijać apięcie. Z zaleŝości (1) moŝa wyzaczyć pzebiegi mocy P () pzekazywaej z geeatoa oaz mometu elektomagetyczego T (). Pzykładowe chaakteystyki pezetują poiŝsze ysuki. m [N T [pm Rys. 11. T () W [k P U =65V; = I [pm Rys. 12. P () = 173pm< S U =65V; = 275pm = 275pm = 1 2 I

5 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 3/212 (96) 11 m [N T [pm Rys. 13. T () W [k P U = 65V; = 275pm = S > 1 2 I 5 = 44pm [pm 3. Rzeczywiste chaakteystyki hydozespołu Pomiay zeczywistych chaakteystyk pzepowadzoo MEW o spadzie omialym 3m, w któym zaistalowao zitegowae hydozespoły o mocach zamioowych 75kW pacujące a pzepływie do 3m 3 /s. Dzięki zastosowaiu dwóch jedostek wytwóczych oaz zmieej pędkości obotowej elektowia ta moŝe pacować w szeokim zakesie zmiay watości pzepływu od 1 do 6 m 3 /s. Zamioowa pędkość tubi to 3 pm, atomiast ealy zakes pacy wyosi od 1 do 32 pm. Podstawowym wykesem obazującym właściwości oaz moŝliwości egulacyje hydozespołu jest odzia chaakteystyk mocy oaz mometu od pędkości óŝych kątów otwacia apaatu kieowiczego (Rys ). α=6 o α=5 o α=4 o Rys. 14. P () U =95V; I s =I N =1[A α=1 o α=2 o α=3 o m [N T = 44pm [pm Rys. 15. T () U =95V; I s =I N =1[A Kształtowaie chaakteystyk popzez zadawaie w układzie pzekształtikowym watości ów pądów ( I, ) oaz efeecyjego apięcia obwodu ( U ) podczas zmieiających się obotów geeatoa ma szczególe zaczeie pzyjmowaych stategii steowaia całego hydozespołu pod kątem stabilości oaz optymalizacji pocesu pzetwazaia eegii wody pzy zadaych chaakteystykach tubi [1. Rys. 16. Chaakteystyki mocy tubiy P() zadaych kątów otwacia kieowicy α=2 o α=1 o α=4 o α=3 o α=6 o α=5 o Rys. 17. Chaakteystyki mometów tubiy T () zadaych kątów otwacia kieowicy

6 12 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 3/212 (96) Zadaiem podstawowym apaatu kieowiczego tubiy jest kotola pzepływu wody zgodie z aktualymi moŝliwościami hydologiczymi [1. Kąt otwacia kieowicy α staowi dodatkowo podstawowy paamet egulacyjy, któy umoŝliwia kotolę pędkości obotowej tubiy (maksymala watość mocy uzyskiwaa jest pzy kącie kieowicy α=6 o ). Dugą gupę paametów powadzących do egulacji pądu obciąŝeia geeatoa staowią wymuszae pzez układ pzekształtikowy zadae watości U,, I, któe bezpośedio pozwalają a egulację mometu obciąŝeia tubiy. Odpowiedi dobó tych dwóch gup paametów pozwala a pacę tubozespołu w dowolym pukcie obszau objętego odzią chaakteystyk (Rys. 1617). Wybó puktu pacy hydozespołu jest kluczowym zadaiem mającym wpływ a popawość pacy systemu, jego spawość oaz wykozystaie dostępej wody. 4. Steowaie pzepływem mocy hydozespołu Opacowaa stategia zaządzaia pzetwazaiem eegii została zaimplemetowaa w zeczywistym obiekcie MEW. Zgodie z zapopoowaą metodologią egulato kieowicy (pzepływu) pacuje a zaday poziom wody góej z podziałem pzepływu pomiędzy dwie tubiy [8. ObciąŜeie poszczególych geeatoów ealizuje egulato obciąŝeia popzez zmiaę watości ogaiczeia pądu w obwodzie pośediczącym I, któy odpowiada watości pądu geeatoa oaz pzez zmiaę watości ogaiczeia pądu sieciowego, któy uje maksymalą oddawaą moc. Watości obciąŝeia tubiy, popzez pąd geeatoa steoway za pomocą układu pzekształtikowego dobiea się tak, aby pukty pacy zajdowały się a chaakteystyce optymalej pacy [8. Na ys. 18 zostały pzedstawioe zeczywiste chaakteystyki pacy tubiy z ys. 17 oaz aiesioo pzykładowe chaakteystyki obcią Ŝeia geeatoa wymuszae za pośedictwem pzemieikowego układu geeacyjego wauków, gdy U = 65V oaz = I. α=2 o α=3 o Rys. 18. Zestawieie chaakteystyk mometów tubiy oaz geeatoa z PUG Aalizując miejsca pzecięć chaakteystyk tubiy z chaakteystykami obciąŝeń geeatoa wymuszoych pzez PUG, zauwaŝa się iekozyste pukty (ozaczeie a ys. 18 za pomocą okęgu). W miejscach tych występują wahaia pędkości tubiy spowodowae małym mometem dyamiczym, co staowi poblem utzymaia stabilej pędkości pzez układ egulacji. 5. Podsumowaie α=4 o α=5 o α=6 o = 275pm =6A =4A =2A Na podstawie pzedstawioych aaliz własości tou pzetwazaia eegii elektyczej moŝa stwiedzić, Ŝe ze względu a specyficze kształty chaakteystyk tubi wodych, paca układu powia odbywać się w zakesie utzymywaia stałego mometu obciąŝeia. Realizowae jest to popzez ustawieie w PUG watości pądu a poziomie omialym oaz egulację mometu pzez zmiay pądu I. Takie steowaie pozwala pecyzyjie ustalać pukty pacy tubiy a wyzaczoej chaakteystyce optymalej pacy [8. WiąŜe się to jedak z koieczością pacy układu / w zakesach podbijających apięcie falowika. Z tego względu moŝa a etapie pojektu obiŝyć apięcie zamioowe geeatoa (p. do poziomu 4V), zakładając ciągłą pacę układu / podwyŝszającego apięcie. Powadzi to do uposzczeia układu /, gdyŝ w pzeciwym azie wymagae byłoby zastosowaie dodatkowego układu obiŝającego apięcie. Poadto, uzasadioym jest ozwaŝeie moŝliwości obiŝeia apięcia po stoie iskiego apięcia tasfomatoa, do któego pzyłączoy jest PUG z uwagi a koieczość i tak zastosowaia tasfomatoa podwyŝszającego apięcie, gdyŝ oddawaie

7 Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 3/212 (96) 13 eegii do sieci elektoeegetyczej odbywa się a śedim apięciu zędu 15kV. Działaia te mogą mieć wpływ a obiŝeie kosztów budowy pzekształtikowego układu geeacyjego, z uwagi a fakt, Ŝe tazystoy a iŝsze klasy apięć są zaczie tańsze, mimo zwiększeia ich pądu zamioowego. 6. Liteatua [1. KzyŜaowski W.: Tubiy wode kostukcja i zasady egulacji, WNT, Waszawa [ 2. Meio J.M., Lopez A.: ABB Vaspeed geeato boosts efficiecy ad opeatig flexibility of hydopowe plat, ABB Review 3/96. pp [3. Bide A., Scheide T., Pemaet maget sychoous geeatos fo egeeative eegy covesio a suvey. Poc. of 11 th Euopea Cof. o Powe Electoics ad Applicatios, Desde 25. [4. FaileAdauy J., Wilhelmi J.R., Faile Moa J.J., Peez J.I.: VaiableSpeed Hydo Geeatio: Opeatioal Aspects ad Cotol, IEEE Tasactios o Eegy Covesio, vol. 21, o. 2, Jue 26. [5. Kaźmiekowski M., Kisha R., Blaabjeg F., Iwi J.: Cotol I Powe Electoics, ACADEMIC PRESS, 23, ISBN: [6. Koczaa W., Chlodicki Z., Eest E.: Theoy of the adjustable speed geeatio systems. COMPEL: The Iteatioal Joual fo Computatio ad Mathematics i Electical ad Electoic Egieeig, 27(5): , 28. [7. Mazgaj W., Szula Z., Węgiel T., Sobczyk T.: Small Hydopowe Plat with vaiable speed PM geeato. Pzegląd Elektotechiczy, R.87 N 5/211, st [8. Bokowski D., Węgiel T.: Optymalizacja pzetwazaia eegii małych elektowi wodych z geeatoami pacującymi ze zmieą pędkością obotową: Zeszyty Poblemowe Maszyy Elektycze N 92/211, pp [9. Sobczyk T., Mazgaj W., Szula Z., T. Węgiel, Kopchak L., Kopchak B., Jacukowicz R., Twed M.: Powe Electoic Covesio System Fo Small Powe Plats Based o Reewable Souces, Naukowo Techicze Czasopismo, Uiwesytet w Odessie, 3(79) /211, st [1. Noway Patet No TURBINOVA AS. Autozy D iŝ. Tomasz Węgiel * D iŝ. Daiusz Bokowski ** Politechika Kakowska Wydział IŜyieii Elektyczej i Komputeowej Istytut Elektomechaiczych Pzemia Eegii Kaków, ul. Waszawska 24 * tel pewegiel@cyfoet.pl ** tel dbokowski@pk.edu.pl