System bilansowania energii dla użytkowników końcowych

Transkrypt

1 Grzegorz Benysek, Marcin Jarnut, Ryszard trzelecki I. Wstęp ystem bilansowania energii dla użytkowników końcowych iągłość dostaw energii elektrycznej jest czynnikiem wpływającym nie tylko na komfort życia, ale także na bezpieczeństwo. Rozwój dystrybucyjnych sieci energetycznych nie zawsze nadąża za szybko rosnącym zapotrzebowaniem na energię, ponadto zmiany klimatu powodują zmianę warunków środowiskowych, w których pracują sieci. Pojawienie się nowych czynników jak gwałtowne burze i towarzyszące im silne wiatry czy gradobicia powodują, że starsze odcinki sieci, które nie były przewidziane do pracy w takich warunkach ulegają awariom pozbawiając zasilania znaczne obszary. Pewnym rozwiązaniem tej sytuacji jest rozproszenie źródeł energii w systemie, tak aby poprzez rekonfigurowane sieci możliwe było nieprzerwane zasilanie największej możliwej w danej sytuacji ilości odbiorców. Źródła te przyłączane są najczęściej do sieci dystrybucyjnej 110 kv. Zwiększa to niezawodność sieci, lecz z punktu widzenia odbiorców mniej znaczących dla dystrybutora tzn. odbiorców przyłączanych po stronie niskiego nn, jest ciągle niewystarczające zwłaszcza na obszarach wiejskich. Mniejsza gęstość zaludnienia na tych obszarach sprzyja natomiast rozwojowi energetyki niekonwencjonalnej małej mocy, która stanowić może rozwiązanie problemu ciągłości zasilania na tych terenach [1]. Moc generowana przez źródła alternatywne jest w dużym stopniu zależna od czynników środowiskowych takich jak nasłonecznienie, średnia prędkość wiatru, z tego powodu istnieje uzasadniona konieczność magazynowania energii w celu jej późniejszego wykorzystania [2]. Energia ta jest konsumowana przez odbiorcę w awaryjnych stanach sieci (układy typu off-line) lub bilansowana z energią pobieraną z sieci dystrybucyjnej (układy typu grid-connected) [3,4]. Duże znaczenie z punktu widzenia niezawodności systemu zasilania ma jakość dostarczanej energii. Odbiorca końcowy pośrednio wpływa na jej parametry jakościowe poprzez generowanie odkształceń prądu wywołujących w słabszych odcinkach sieci nieliniowe spadki napięć. Dla pozostałych odbiorców przyłączonych w bliskim sąsiedztwie objawia się to pogorszeniem parametrów napięciowych. tosowanie aktywnych układów kompensacyjnych z dodatkowymi funkcjami bilansowania energii wydaje się uzasadnionym rozwiązaniem w opisanych sytuacjach. II. Koncepcja ystemu przęgającego kłady wprowadzające energię ze źródeł rozproszonych oraz układy podtrzymujące ciągłość zasilania budowane są w oparciu o falowniki napięcia przyłączane do zacisków wewnętrznych linii zasilających WZ. Rolę źródła energii rezerwowej lub źródeł dodatkowych pełnią niewielkie źródła odnawialne, mini-generatory diesla lub gazowe, przyłączane do wspólnej z magazynem energii i obwodem D falownika, szyny D. Widoczny na Rys. 1a układ przedstawia taką koncepcję systemu zasilania. W trybie pracy grid-connected oba łączniki W1 oraz W2 są zamknięte a przekształtnik FG w zależności od stanu naładowania magazynu jest w pracy prostownikowej (doładowywanie magazynu) lub falownikowej (oddawanie energii do sieci). W pracy falownikowej przekształtnik pracuje jako źródło prądowe, bilansując prąd odbiornika oraz prąd sieci. W awaryjnych stanach sieci dystrybucyjnej następuje wyłączenie łącznika W1 i przejście układu do pracy off-line. Przekształtnik FG pracuje jako źródło napięciowe wymuszając na zaciskach WZ napięcie o zadanych parametrach.

2 Proponowany układ (Rys. 1b) różni się od wcześniej wspomnianego sposobem pracy przekształtnika FG. kład niezależnie od stanu sieci zasilającej generuje na zaciskach WZ napięcie u o parametrach takich samych jak parametry znamionowe napięcia sieci u lecz przesunięte w fazie o kąt zależny od bilansu mocy czynnych sieci P, źródeł własnych odbiorcy P G oraz obciążeń P. Przesunięcie fazowe jest uzyskiwane na dodatkowej reaktancji indukcyjnej przyłączonej pomiędzy WZ oraz zaciski sieci. Reaktancja ta ma małą wartość i nie wpływa znacząco na wartość impedancji pętli zwarcia. Moc bierna związana z przesyłaniem energii przez tą reaktancję ma małą wartość (w przypadku napięcia sieci bliskiego wartościom znamionowym), a współczynnik mocy na zaciskach przyłączeniowych sieci dystrybucyjnej jest bliski jedności. ieć Dystrybucyjna < W1 W2 WZ G A/D O1 O2 O3 WZ 0, 4 kv ieć Dystrybucyjna < 0, 4 kv P,i u P W1 W2 X P G u A/D P,i F G magazyn energii szyna D D/D F G magazyn energii szyna D D/D a Rys. 1 posoby wykorzystania energii generowanej po stronie odbiorcy: a układ tradycyjny z falownikiem napięcia; b proponowany układ z kondycjonerem energii Odpowiednie sterowanie pozwala na ciągłe bilansowanie energii własnej odbiorcy z energią pobieraną z sieci oraz na bezprzerwowe zasilanie WZ. Wyłącznik W2 pełni w tym układzie wyłącznie funkcje serwisowe natomiast wyłącznik W1 podobnie jak w układach tradycyjnych odłącza WZ od sieci dystrybucyjnej w jej awaryjnych stanach. III. Kondycjoner Energii z Funkcją Bilansowania W proponowanym rozwiązaniu przekształtnik FG wraz z reaktancją X tworzą układ kondycjonera energii, którego jednofazowy schemat przedstawia Rys. 2. Jest on podstawowym elementem systemu bilansowania energii przeznaczonego dla odbiorców końcowych. Ze względu na sposób sterowania realizuje szereg dodatkowych funkcji takich jak stabilizacja napięcia na zaciskach odbiornika oraz kompensacja składowych nieaktywnych prądu sieci. tanowić może wielofunkcyjny element systemu zasilania z wielu źródeł (dywersyfikacja źródeł energii). Integralną częścią kondycjonera jest falownik napięcia (T1 T4) przyłączany równolegle z zaciskami odbiornika, pracujący w trybie napięciowym z nadążną modulacją napięcia wyjściowego. Falownik napięcia kształtuje na zaciskach odbiornika napięcie o parametrach znamionowych napięcia sieci przesunięte w fazie względem tego napięcia o kąt zależny od mocy czynnej odbiornika. Punkt synchronizacyjny jest wyznaczany w układzie P. echą charakterystyczną układu sterowania jest brak konieczności pomiaru prądów w celu wyznaczenia mocy czynnej. Aktualna wartość kąta fazowego napięcia odbiornika jest wyznaczana w układzie stabilizacji napięcia obwodu D, który działa na zasadzie b

3 bilansowania mocy czynnej w punkcie P. tabilizacja napięcia obwodu D falownika wymaga spełnienia ciągu zależności 0 I I P P P P P (1) D DIN DOT G i u Xs P P P Xs i Idc(in) Idc(out) P T5 Idc T1 T3 i D 1 f1 u u T6 T2 T4 f1 Z P G i G g u G G Rys. 2 Kondycjoner energii: schemat jednofazowy W równaniu (1) regulacji podlega moc czynna sieci P, a stabilizacja napięcia na kondensatorze D falownika jest wynikiem zmiany tej mocy wywołanej zmianą kąta fazowego napięcia odbiornika. Jeżeli po stronie odbiorcy nie jest generowana energia tzn. P G =0, to układ pozostaje w trybie kompensacji zapewniając stabilizowane sinusoidalne napięcie na zaciskach odbiornika oraz sinusoidalny prąd sieci. Generowanie energii ze źródeł własnych przyłączonych do obwodu D falownika powoduje samoistne przejście układu do trybu bilansowania energii. W trybie tym zapewnione są także wszystkie funkcje kompensacyjne z trybu kompensacji. Zmiana trybu pracy nie wymaga rekonfiguracji obwodu ani zmian w strategii sterowania i jest zupełnie niewidoczna dla odbiornika. Tryb kompensacji W stanie ustalonym, aby nie występowały zmiany napięcia na kondensatorze D, falownik nie może wymieniać mocy czynnej z resztą systemu. Zatem regulator napięcia D generuje na wyjściu sygnał proporcjonalny do kąta taki, aby spełnione było równanie bilansu w punkcie P [5, 6] P P P P 0 P P (2) prąd odbiornika i, prąd sieci i 20 A/div prąd odbiornika i, prąd sieci i 20 A/div napięcie odbiornika u, napięcie sieci u 200 V/div napięcie odbiornika u, napięcie sieci u 200 V/div 10 ms/div 10 ms/div a Rys. 3 Kompensacja odkształceń prądu odbiornika: a przy nominalnym napięciu sieci; b przy obniżeniu amplitudy napięcia sieci o 20 % Kształtowanie na zaciskach odbiornika napięcia sinusoidalnego o stabilnej amplitudzie jest naturalną separacją tego odbiornika od zakłóceń pochodzących z sieci zasilającej. Dodatkowo różnica napięć widziana przez indukcyjność sprzęgającą jest napięciem b

4 sinusoidalnym (zazwyczaj odkształcenia napięcia sieci nie przekraczają 5 %). Zgodnie z prawami elektrotechniki prąd i na tej indukcyjności będzie także prądem sinusoidalnym niezależnie od charakteru i kształtu prądu odbiornika i (Rys. 3a). Kompensowanie zarówno odkształceń napięcia sieci jak i prądu odbiornika nie wymaga w proponowanym rozwiązaniu wyznaczania składowych kompensowanych i odbywa się naturalnie. Ograniczony musi być zakres stabilizacji napięcia odbiornika u w przypadku długotrwałych i dużych zmian amplitudy napięcia sieci u (ze względu na znaczną wartość mocy biernej sieci w tych przypadkach Rys. 3b). kład przechodzi wtedy do pracy off-line (odłączenie od sieci publicznej). Zmiana źródła zasilania nie jest jednak widoczna dla odbiornika. W ten sam sposób kompensowane są przerwy beznapięciowe sieci zasilającej. Praca off-line jest oczywiście możliwa tylko w przypadku przyłączenia zewnętrznego zasobnika energii do zacisków D falownika, lub we współpracy z mikrosiecią D. Moc bierna sieci Q w proponowanym układzie nie zależy od mocy biernej odbiornika ale od jego mocy czynnej (3), (4) [7] Tryb bilansowania energii 2 Q cos( ) (3) X X P arcsin (4) Przyłączenie do zacisków D falownika zewnętrznego źródła energii poprzez układ dwukierunkowego przekształtnika generatorowego (T5, T6) wymuszającego przekazywanie energii do kondensatora D, powoduje wzrost napięcia na jego zaciskach. Regulator napięcia dążąc do stabilizacji napięcia D zmniejsza sygnał kąta fazowego co powoduje zmniejszenie mocy czynnej P na elemencie sprzęgającym X X P sin (5) X W punkcie P następuje bilansowanie mocy czynnych odbiornika P, falownika P i sieci P zgodnie z równaniem P P P P 0 P P (6) We wzorze (6) moc ze znakiem dodatnim oznacza dostarczanie energii do węzła bilansującego P. napięcie sieci u [V] prąd sieci i 200V/div, 20A/div prąd odbiornika i, prąd sieci i 20 A/div napięcie odbiornika u [V] prąd odbiornika i 200V/div, 20A/div napięcie odbiornika u, napięcie sieci u 200 V/div moce czynne [W]: generowana PG, obciążenia P, sieci P (3,1 kw) (2 kw) (1,1 kw) 0 W 1kW/div 10ms/div prąd falownika i 20 ms/div 20 A/div a Rys. 4 Wyniki badań układu z generatorem A: a bilansowanie; b zasilanie awaryjne b

5 Na Rys. 4a przedstawione zostały wyniki badań w układzie jednofazowym z generatorem A przyłączonym do zacisków D kondycjonera przez przekształtnik generatorowy (Rys.2). pecyficznym przypadkiem bilansowania energii w punkcie P (WZ instalacji elektrycznej odbiorcy) jest zanik napięcia sieci lub przejście układu do trybu off-line ( W1 =OFF) w wyniku przekroczenia zakresu stabilizacji napięcia odbiornika. W sytuacji takiej P =0, co oznacza zasilanie odbiornika z zasobnika energii lub generatora (Rys. 4b). Przeprowadzono również badania symulacyjne obrazujące zachowanie proponowanego rozwiązania w sytuacji zmian obciążenia, Rys. 5 oraz Rys. 6, jak i zmian mocy generowanej przez rozproszone/dodatkowe źródło energii, Rys. 7 oraz Rys. 8. Jak można zauważyć, w każdym 1) generator D; P G >P [V] I [X10A] [V] I [X10A] D [V] średnione moce [W]: P G P P P = 1.1k[W] P = 2.1k[W] 200ms/ div 2) generator A; P G <P Rys. 5 Wyniki badań symulacyjnych w sytuacji zmian mocy P [V] I [X10A] [V] I [X10A] D [V] średnione moce [W]: P G P P P = 2.1k[W] P = 4.1k[W] 200ms/ div Rys. 6 Wyniki badań symulacyjnych w sytuacji zmian mocy P

6 3) generator D; P G >P [V] I [X10A] [V] I [X10A] D [V] średnione moce [W]: P G P P P G = 2.4k[W] P G = 1.8k[W] 200ms/ div 4) generator A; P G <P Rys. 7 Wyniki badań symulacyjnych w sytuacji zmian mocy P G [V] I [X10A] [V] I [X10A] D [V] średnione moce [W]: P G P P P G = 1.4k[W] P G = 0.8k[W] 200ms/div Rys. 8 Wyniki badań symulacyjnych w sytuacji zmian mocy P G z przedstawionych przypadków metoda bilansowania energii zapewniła prawidłową pracę układu, dodatkowo zmiany napięcia w obwodzie D nie wpływały na obciążenie a amplituda napięcia na obciążeniu była stała. Zaproponowane rozwiązanie zweryfikowano również eksperymentalnie, na małej mocy modelu laboratoryjnym (2 kva). Wyniki badań eksperymentalnych dotyczą sytuacji sprzęgania z siecią dystrybucyjną nn, rozproszonych źródeł prądu stałego (Rys. 9). Jak można zauważyć zgodnie z zasadą bilansowania energii zmiana (wzrost bądź spadek) mocy generowanej przez dodatkowe źródło odbiorcy indywidualnego, powoduje zmianę (spadek bądź wzrost) mocy pobieranej z sieci. Na uwagę zasługuje fakt, iż bilansowanie energii nie

7 zakłóca procesu dostawy energii do odbiorcy proponowany układ zapewnia stałą moc na zaciskach odbiorcy oraz stałe napięcie. a Rys. 9 Wyniki badań eksperymentalnych w sytuacji zmian mocy P G : a wzrost mocy P G ; b spadek mocy P G (gdzie: h1, h2 I, h3 I, h4 I G ) Kolejnym przeanalizowanym przypadkiem, był zanik napięcia sieci. W takiej sytuacji moc pobierana z sieci wynosi zero (P =0), co oznacza zasilanie odbiornika z zewnętrznego zasobnika energii, bądź generatora (Rys. 10) w rozpatrywanym przypadku było to zewnętrzne źródło prądu stałego. Jak widać, pomimo zaniku napięcia sieci, układ zapewnia stałe napięcie na zaciskach odbiornika oraz stałą moc dostarczaną na zaciski obciążenia. b Rys. 10 Wyniki badań eksperymentalnych w sytuacji zaniku napięcia (rozproszone źródło D)(gdzie: h1, h2 I, h3, h4 I ) Rozwinięciem proponowanego wcześniej rozwiązania może być układ bilansujący dla grupy odbiorców ze wspólnym zasobnikiem energii i źródłami przyłączanymi do sieci D. W tego typu rozwiązaniu (Rys. 11), każdy z odbiorców posiada własny kondycjoner energii realizujący wszystkie przypisane mu funkcje. Rozwiązania tego typu mogą okazać się szczególnie przydatne w sytuacji, gdy odbiorcy indywidualni mają zainstalowane różnego typu źródła dodatkowe energii ogniwa fotowoltaiczne, małe generatory wiatrowe, ogniwa paliwowe itp. Źródła takie, ze względu na zmienne warunki atmosferyczne generują zmienną w czasie moc, której nadwyżki mogą być przekazywane do odbiorców z deficytem energii. Dzięki proponowanemu układowi można również wyrównywać obciążenia pomiędzy poszczególnymi odbiorcami, wynikające m.in. z faktu nierównomiernego dobowego zużycia energii elektrycznej w poszczególnych budynkach. Wszystkie opisane działania przyczynią się do zmniejszonego poboru energii elektrycznej, a w rezultacie do niższych rachunków za energię.

8 IV. Podsumowanie Przedstawione w artykule wyniki badań potwierdzają skuteczność działania układu oraz szeroki zakres realizowanych funkcji. Ze względu na te cechy jak i prosty algorytm sterowania Odbiorca 1 WZ < O1 B kwh O2 W1 X E1_1 O3 G W2 FG ieć D A/D ieć Dystrybucyjna P E2_1 E2_2 D/D FG magazyn energii W2 G E1_2 O1 B kwh W1 O2 X < O3 Odbiorca 2 WZ Rys. 11 kład bilansowania energii z mikrosiecią D układ może znaleźć szerokie zastosowanie, zwłaszcza tam gdzie inne środki poprawy jakości energii i środki zapewniające niezawodność zasilania zawodzą. Działania zmierzające w kierunku redukcji emisji gazów powstających w tradycyjnych procesach wytwarzania energii elektrycznej jak i rosnące zapotrzebowanie na tanie, niezawodne zasilanie powodują, że układy tego typu mogą stać się alternatywą dla obecnie stosowanych rozwiązań. V. iteratura [1] Benysek G.: Improvement in the quality of delivery of electrical energy using power electronics systems. pringer-verlag, ondon [2] Dorofte, Borup, Blaabjerg F.: A combined two-method MPPT control scheme for grid-connected photovoltaic systems. EPE onference, ept [3] Yao Z, Wang Z, Xiao Z, Yan Y.: A novel control strategy for grid-interactive inverter in grid-connected and stand-alone modes. Applied Power Electronics onference and Exposition, March [4] Rihit T, Ned M, hris H.: eamless transfer of grid connected PWM inverters between utility-interactive and standalone modes. IEEE APE, March [5] trzelecki R, Benysek G, Jarnut M.: Aktywne kondycjonery energii dla indywidualnych użytkowników. Postępy w Elektrotechnice tosowanej, Polska [6] trzelecki R, Benysek G, Jarnut M.: Interconnection of the customer-side resources using single phase VAPF. Przegląd Elektrotechniczny, Październik 2007.

9 [7] trzelecki R, Benysek G.: Power electronics in smart electrical energy networks. pringer-verlag, ondon Zielona Góra listopad 2010