ENERGOELEKTRONICZNE PRZEKSZTAŁTNIKI MSI DLA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII

Transkrypt

1 ENERGOELEKTRONICZNE PRZEKSZTAŁTNIKI MSI DLA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII, Marek Jasiński Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej malin@isep.pw.edu.pl; mja@isep.pw.edu.pl

2 Plan prezentacji 1. Wstęp 2. Odnawialne źródła energii (OZE) Energia z fal Energia słoneczna Energia wiatrowa 3. Przyszły model sieci elektroenergetycznej 4. Wave Dragon - energia z fal Mała elektrownia wiatrowa (MEW) Wysokosprawny przekształtnik DC/AC dla systemów fotowoltaicznych Przekształtników AC-DC dla rozproszonych źródeł energii o zwiększonej odporności na zakłócenia i zmniejszonym negatywnym oddziaływaniu na sieć (typoszereg kva) 5. Wnioski 2

3 Wstęp Technologie związane z odnawialnymi źródłami energii wciąż się dynamicznie rozwijają ze względu na: wzrost zapotrzebowania na energię co jest związane z ciągłą poprawą standardu życia i wzrostem światowej populacji (konsumpcja energii podwoiła się od roku 1970); ograniczoną ilością konwencjonalnych źródeł energii (według niektórych źródeł zasoby ropy zostaną wyczerpane za około 40 lat, gazu ziemnego za 60 lat a węgla za 120 lat); wzrost cen energii; dbałość o ekologię; 3

4 Wstęp Technical Potential of Renewable Energy The Use of Renewable Energy ,8 0,06 0,06 0, Biomass Hydro Solar Wind Geothermal Ocean Potencjał i obecne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w PWh (peta ) 4

5 Odnawialne źródła energii (OZE) Energia z fal 5

6 Odnawialne źródła energii (OZE) Energia z fal Pelamis, UK 2005, 750kW AquaBuoy, USA 2007, 200kW AWS, Portugal 2001, 2MW WaveDragon, Denmark 2003, 20kW 6

7 GW ( ) Odnawialne źródła energii (OZE) Energia słoneczna ,7 23, ,8 2,3 2,9 4 5,4 7 9, Skumulowana ilość instalacji słonecznych na świecie

8 Odnawialne źródła energii (OZE) Energia słoneczna Największe instalacje PV: - elektrownia 250 MW PV w Arizonie (USA) Agua Caliente Solar Project - elektrownia 200 MW PV w Chinach Golmud Solar Park [ 8

9 Odnawialne źródła energii (OZE) Energia słoneczna Największe instalacje PV: - elektrownia 53 MW PV Waldpolenz (Niemcy) 9

10 MW Odnawialne źródła energii (OZE) Energia wiatrowa Skumulowana ilość instalacji wiatrowych na świecie w latach

11 Odnawialne źródła energii (OZE) Energia wiatrowa Największe WT: -Wolnoobrotowa elektrownia Enercon E-126 (6MW) z PMSG -Vestas V-164 (7MW) 11

12 Przyszły model sieci elektroenergetycznej Hydro power station On-shore wind turbine plant Off-shore wind turbine plant Solar power plant Ocean wave energy converters Biomass Hydro-pumped energy storage unit HV Low emission power plant Superconducting magnetic energy storage LV Hydrogen energy storage Compressed air energy storage unit Small hydro power Photovoltaic Small wind turbine Flywheel Battery energy storage Wizja przyszłego modelu rozproszonego systemu wytwarzania energii 12

13 Wave Dragon - energia z fal Wave reflector Climate Power production 24 kw/m 12 GWh/y/unit 36 kw/m 20 GWh/y/unit 48 kw/m 35 GWh/y/unit Reservoir Waves overtopping the doubly curved ramp Turbine outlet WAVE DRAGON FP-6 UE: Energy from Ocean Waves Kierownik: M.P. Kaźmierkowski, Wykonawcy: M. Jasiński, M. Malinowski 13

14 Wave Dragon - energia z fal Wave Dragon - The 1:4.5 prototype 14

15 Wave Dragon - energia z fal 15

16 Wave Dragon - energia z fal POWER NETWORK Three-phase grid Transformer POWER CONVERTER PWM Rectifier DC link PWM Inverter ELECTICAL SWITCH WATER TURBINE GENERATOR ROTOR BLADES Line Side Control (LSC) Generator Side Control (GSC) Water Flow 16

17 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) Moduł 1 Moduł 2 Moduł 3 PMSG Przekształtnik MSI PCC SIEĆ Prostownik 6D DC/DC MSI Filtr LCL TR MSI DC/DC U A U B U C Dom Moduł 4 Kompleksowe rozwiązanie małej zmienno-obrotowej elektrowni wiatrowej z modułem magazynowania energii do zastosowań w energetyce rozproszonej - NCBiR kierownik M. Malinowski 17

18 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) 7000 Charakterystyka zewnętrzna wirnika 5000 Krzywa mocy elektrowni MOC NA WALE WIRNIKA [W] m/s 4 m/s 5 m/s 6 m/s 7 m/s V=8 m/s PRĘDKOŚĆ OBROTOWA [1/min] MOC UZYTECZNA [W] PRĘDKOŚĆ WIATRU V[m/s] Wydajność energetyczna i wpływ sumy momentów: zaczepowego i tarcia na wydajność energetyczna elektrowni WYDAJNOŚĆ ENERGETYCZNA [kwh/rok] ŚREDNIA DŁUGOTERMINOWA PRĘDKOŚĆ WIATRU V[m/s] SPRAWNOŚĆ ENERGETYCZNA [%] ZMIANA WYDAJNOŚCI ENERG. [%] MOMENT TARCIA + MOMENT ZACZEPOWY [Nm] 18 18

19 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) Tab. Projektowe przypadki obciążeń przy uproszczonej metodzie obliczania obciążeń wg normy IEC Projektowy stan ruchu Wytwarzanie energii elektrycznej Wytwarzanie energii elektrycznej + zakłócenie Zatrzymywanie Parkowanie (bieg jałowy lub zatrzymanie) Parkowanie w warunkach zakłócenia Transport, montaż, serwis i naprawy Przypadek obciążeń Prędkość wiatru Typ analizy Uwagi A Normalna praca F B Odchylanie V hub =V design U C Opływ skośny V hub =V design U D Maksymalne parcie V hub =2,5V ave U Wirnik obraca się, flatter E Maksymalna prędkość obrotowa U F Zwarcie przyłącza Maksymalny moment na V (elektryczne) hub =V design U generatorze przy zwarciu G Hamowanie awaryjne V hub = V design U H I J Obciążenia maszyny zaparkowanej V hub = V e50 U Obciążenia maszyny zaparkowanej, maksymalna ekspozycja na wiatr Ustalony przez producenta V hub =V ref U U Turbozespół jest obciążony przy najbardziej niekorzystnej ekspozycji 19

20 r Mała elektrownia wiatrowa (MEW) Szczegół "A" * Na całej długości łopaty 0.35c c A A Oś wirnika - Widok od strony grzbietu profilu, bez skręcenia. - Kierunek obrotów zgodny z ruchem wskazówek zegara, patrząc od strony wiatru Nr r [mm] c [mm] [stop.] 20

21 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) 21

22 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) 22 22

23 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) 23

24 Jtag emulator control control DC/DC converter control Mała elektrownia wiatrowa (MEW) Induction motor 11 kva + gear IM PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator 5.5 kva AC/DC converter ilow idc udc Converter TWERD ACR 710 3x L=5 mh 3x C=6μF ia ib Y Transformer Dy 15 kva 3x400/3x400 ua ub uc Grid simulator California Instrument 15003iX P=15 kva U=3x400 V Local load Converter TWERD MFC 710 Machine side Microcontroler Texas Instrument TMS320F28027 Signal conditioning udc ulow ilow ulow ihigh ihigh Batteries Microcontroler Texas Instrument TMS320F28027 RS-232 udc idc Transient signal DC/AC converter s measurment tools LEM boxes ua ub uc ia Grid side ib DC/AC converter s measurment tools LEM boxes DC/AC converter s measurment tools LEM boxes Signal conditioning PC Signal conditioning PC idc AC/DC module udc PC DC/DC module Jtag emulator Microcontroler Texas Instrument TMS320F28335 DC/AC module Schemat blokowy stanowiska badawczego MEW 24

25 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) Algorytm śledzenia mocy szczytowej Regulator ω Regulator i l Modulator PWM i ω* l p gen δi l i l * δi l D* MPPT + PI + PI - - u d ω i l Schemat pętli regulacji z algorytmem MPPT ΔP(k)=P(k)-P(k-1) f T c d f e ΔP(k) Hist Punkt początkowy a b Nie S = ΔP(k)/Δω(k-1) Tak Δω(k)=K S ω*(k) = ω*(k-1) + Δω(k) ω*(k-1) = ω*(k) Δω(k-1) = Δω(k) P(k-1) = P(k) ω*(k) = ω*(k-1) Schemat blokowy zmiennokrokowego algorytmu MPPT z zadawaniem prędkości obrotowej generatora 25

26 Energy dissipation + U dc _ref Direct Power Control qx ΔU dc p_ref + - S PI X S PI S PI q_ref=0 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) px u Lα u Lβ Power estimation eq. (1, 2) i Lβ i Lα α-β abc Monitoring & PLL θ Synchronization Grid u Lb u Lc u La Load N U dc_ref ΔU dc + S PI - U DC U q_ref=0 U d_ocl u Lq + - S u Ld - - U d_ref S S + + U d _nom 2 PI PI 2 α-β d-q theta α-β d-q u Lα u Lβ θ Space Vector Modulator u Sα u Sβ Voltage estimation eq. (5, 6) SVM U dc S A S B S C i La i Lb i Lc X + p dc pload_ac S - p load_dc P i DC PWM modulation T d Voltage Control i Lβ i Lα eq. (7) u Lα u Lβ Udc Schemat blokowy opracowanego algorytmu sterowania przekształtnikiem DC/AC 26

27 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) switching signal praca autonomiczna delay praca z siecią elektroenergetyczną u DC u A i A praca autonomiczna switching signal delay praca z siecią elektroenergetyczną u DC Przekształtniki AC/DC oraz DC/AC u A Przebiegi czasowe w chwili automatycznego przełączenia z pracy autonomicznej do pracy z siecią elektroenergetyczną oraz w drugą stronę, od góry: sygnał przełączający, u DC napięcie w obwodzie pośredniczącym, u A,B,C napięcia fazowe, i A,B,C prądy fazowe i A 27

28 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) z B 0 e A Cięgno L AC x C Środek aerodynamiczny 1600 Środek masy y e1 0 A,B E Siłownik D x L AD 28

29 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) 29

30 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) 30

31 Mała elektrownia wiatrowa (MEW) 31

32 Wysokosprawny przekształtnik DC/AC dla systemów fotowoltaicznych Koncepcja zastosowania jednofazowego przekształtnika DC/AC do szeregowo połączonych ogniw fotowoltaicznych N L 1 L 2 L 3 Rodzina jednofazowych (2, 3 i 5,5 kw) wysokosprawnych i beztransformatorowych systemów przekształtnikowych DC/AC dla elektrowni fotowoltaicznych Projekt NOT z firmą TWERD Kierownik M. Malinowski, Wykonawcy: S. Styński, R. Kot 32

33 Wysokosprawny przekształtnik DC/AC dla systemów fotowoltaicznych (a) Przekształtnik podwyższający napięcie (2 sekcje) i l1 i l2 Falownik napięcia u pv1 2xL in S N S L L line i line u pv2 T 2 T 1 u dc L line C line SEE u line 2xC in S N S L C f- C f+ i pv (b) C pv u pe Algorytm śledzenie mocy szczytowej Kondensatory kompensacyjne Regulator u pv Regulator i l Modulator PWM i u pv * l p pv δi l i l * δi l D* MPPT + PI + PI - - u pv u pv i l (c) u dc * Filtr dolnoprzepustowy LPF Regulator u dc i line,max * δu dc i line * + PI δi line Rezonansowy regulator i line z kompensacją wyższych harmonicznych PMR u conv * Modulator PWM Filtr adaptacyjny Transformacja Parka Filtr dolnoprzepustowy u dc cosθ i line u line u line SOGI- αβ ω' f dq LPF + ω QSG + u d ω c qu line u q Θ cos() (a) Schemat obwodu mocy (b) Układ sterowania dla przekształtnika podwyższającego napięcie DC/DC (c) Układ sterowania dla przekształtnika DC/AC 33

34 Wysokosprawny przekształtnik DC/AC dla systemów fotowoltaicznych (a) (b) Prototyp 5kW przekształtnika dedykowanego do paneli fotowoltaicznych (a) widok prototypu (b) Od góry: (CH1) napięcie linii zasilającej u linii, (CH2) prąd linii zasilającej i linii, (CH3) napięcie zaburzeń wspólnych u PV, (CH4) prąd zaburzeń wspólnych i PV 34

35 Przekształtników AC-DC dla rozproszonych źródeł energii o zwiększonej odporności na zakłócenia i zmniejszonym negatywnym oddziaływaniu na sieć (typoszereg kva) (b) (a) 1. U L Sieć AC DC Obciążenie Aktywne (w tym OZE) PCC Modulacja 2. Model sieci elektroenergetycznej Układ synchronizacji i ekstrakcji składowej zgodnej i przeciwnej Tłumienie Aktywne DPC-SVM 3. Moduły Kompensująco- Sterujące Stabilizacja i filtracja U DC (a) Uproszczony schemat systemu sterowania sieciowego przekształtnika AC-DC (b) Stanowisko do badań przekształtników 55 kw wykonane przez firmę ZE Twerd z Torunia wyposażone w nowe sterowanie RDPC-SVM. (1) dwa seryjnie produkowane przekształtniki AC-DC połączone obwodem DC, (2) układ zewnętrznych przetworników pomiarowych prądu i napięcia, (3) 2 filtry LCL 35

36 Przekształtników AC-DC dla rozproszonych źródeł energii o zwiększonej odporności na zakłócenia i zmniejszonym negatywnym oddziaływaniu na sieć (typoszereg kva) (a) (b) (c) (d) (a, b) klasycznym sterowaniem wektorowym DPC-SVM oraz (c,d) odpornym sterowaniem RDPC-SVM przy 10% zapadzie w jednej z faz napięcia sieci i odkształceniu wyższymi harmonicznymi: (a, c ) napięcia sieci THDu = ok. 18%, (b, d) prądy przekształtnika AC-DC (b) THDi= 30.4% oraz (d) THDi=2,4 %, napięcie w obwodzie DC 36

37 Wnioski Technologie związane z OZE wciąż będą się dynamicznie rozwijać ze względu na wzrost zapotrzebowania na energię, ograniczoną ilością konwencjonalnych źródeł, wzrost cen energii i dbałość o ekologię. Przyszły model sieci elektroenergetycznej będzie bazował na idei systemu rozproszonego wytwarzania energii zawierającego niskoemisyjne trakcyjne elektrownie, elektrownie wodne, parki wiatrowe, systemy fotowoltaiczne, mikroźródła wspomagane przez systemy magazynowania energii. Energoelektronika będzie pełnić kluczową rolę w kierunku zwiększenia sprawności, niezawodności i możliwości komunikacyjnych OZE i magazynów energii poprzez zastosowanie zaawansowanych systemów mikroprocesorowych z inteligentnymi układami sterowania i modulacji. 37

38 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ! 38