NAPĘD ODWRACALNY W ELEKTROWNI SZCZYTOWO-POMPOWEJ

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/ Jerzy Przybylski Politechnika Warszawska, Warszawa NAPĘD ODWRACALNY W ELEKTROWNI SZCZYTOWO-POMPOWEJ INVERSE DRIVE WITH DOUBLE-FED MACHINE FOR PEAK PUMPED- STARAGE POWER STATION Abstract: This paper presents possibility to use AC machine in the inverse drive with double-fed machine for peak pumped-storage power station. AC machine which works as double-fed machine (DFM) can works in the generator and motor range. The paper describes above ranges work of drive in peak pumped-storage station. In the paper include equation slip-ring induction motor using in DFM drive with vector control system. This control system enables independent control of active and reactive power of drive. This kind of control independent control of generator power, permits to fast regulate of power in dynamic and static time. This type of generator in peak pumped-storage stations are practically useful in generators big and very big power (more MW). Wstęp Stosowanie maszyn elektrycznych w klasycznych elektrowniach do generowania energii elektrycznej polega na wykorzystaniu maszyny synchronicznej pracującej w zakresie generatorowym. Jednakże w specjalnych rozwiązaniach elektrowni, jakimi są hydroelektrownie szczytowo-pompowe maszyna generująca energię elektryczną (generator) pracuje także w zakresie silnikowym. Dzieje się tak, gdy chcemy zmagazynować źródło energii, jakim jest strumień wody spłukującej ze zbiornika górnego do dolnego. W tzw. szczytach wytwarzania i poboru energii elektrycznej maszyna elektryczna w hydroelektrowni szczytowo-pompowej pracuje jako generator. Poza szczytem (w tzw. dolinach ) w celu przepompowania wody ze zbiornika dolnego do górnego ta sama maszyna pracuje jako silnik napędu pompy wody. Zagadnienia związane z pracą maszyny elektrycznej w obu zakresach pracy (generatorowym i silnikowym) w hydroelektrowni szczytowopompowej są przedstawione w artykule. Z uwagi na to, że ta sama maszyna elektryczna pracuje w zależności od potrzeb na przemian w obu zakresach pracy, ten rodzaj pracy nazwano napędem odwracalnym. Wprowadzenie Generatory w elektrowniach, także tych w hydroelektrowniach szczytowo-pompowych są włączone do systemu energetycznego kraju. Oznacza to, że wytwarzana energia elektryczna powinna charakteryzować się stałymi parametrami tj. stałą wartością napięcia na określonym poziomie oraz stałą częstotliwością napięcia w systemie. Dla hydroelektrowni szczytowopompowej oznacza to potrzebę stabilizacji tych parametrów wyjściowych generatora (tj. wartości napięcia i częstotliwości), niezależnie od warunków tzn. od ilości energii mechanicznej dostarczanej do wirnika generatora (od wielkości energii kinetycznej wody napędzającej wirnik generatora) oraz warunków obciążenia. Wiadomym jest, że zapotrzebowanie na wytwarzaną energię elektryczną w systemie energetycznym zależy od wielu czynników: pory roku, pory dnia itp. Istnieją tzw. szczyty zapotrzebowania na energię elektryczną tj. maxima jej poboru, oraz tzw. doliny tj. minima zapotrzebowania na energię elektryczną. Pracująca hydroelektrownia szczytowo-pompowa bardzo często spełnia w tym systemie rolę stabilizatora. Elektrownie konwencjonalne z generatorami synchronicznymi napędzanymi przez turbiny, mające zwykle duże moce generatorów (zazwyczaj powyżej 200 MVA) są obiektami, które w konkretnych warunkach nie mogą nadążać za wysoką dynamiką zmian wielkości energii elektrycznej zapotrzebowanej przez system energetyczny. Generatory w hydroelektrowniach szczytowopompowych mogą i spełniają rolę uzupełniającą energię elektryczną systemu energetycznego. Mogą także spełniać rolę odbiorników energii elektrycznej wytwarzanej przez duże elektrownie konwencjonalne. Pracy przy zmiennym zapotrzebowaniu na moc w reżimie generatorowym lub silnikowym

2 120 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/2005 może wymusić w wielu przypadkach potrzebę regulacji tej mocy przy zmiennej (najczęściej w niewielkim zakresie ) prędkości wirowania maszyny. Praca generatorowa, w układzie z silnikiem indukcyjnym klatkowym w takich warunkach (tj. zmiennej wartości prędkości maszyny), przy zachowaniu stałości wartości napięcia i częstotliwości mocy generowanej lub odbieranej z sieci energetycznej wymaga dwustrefowego przekształcania pełnej mocy za pomocą przekształtników sterowanych. Moc tych przekształtników nie zależy od zakresu regulacji prędkości, a ponao przekształtnik zasilający silnik jest obciążony mocą magnesowania maszyny. Podstawową zaletą układów z silnikiem pierścieniowym jest zależność mocy przekształtników sterujących (umieszczonych w obwodzie wirnika) od zakresu regulacji, przy czym ta zaleta odnosi się zarówno do pracy silnikowej jak i generatorowej. Stosując w układzie z silnikiem pierścieniowym, przekształtniki w pełni sterowane (tyrystory IGCT, SGCT lub tranzystory) likwiduje się podstawową wadę układów kaskadowych, jaką był niski współczynnik mocy. Zatem w pewnych rozwiązaniach silniki pierścieniowe będą w dalszym ciągu konkurencyjne dla silników klatkowych. Układy przekształtnikowe, dla silnika pierścieniowego, mogą mieć szereg rozwiązań pozwalających na dopasowanie cech układu do wymagań odbiorcy. Właściwości układów z maszyną pierścieniową Maszyna pierścieniowa stanowi układ o dwóch wejściach elektrycznych i jednym mechanicznym. Konieczność zasilania silnika zarówno od strony stojana jak i wirnika można uznać za wadę gdyż konieczne są dodatkowe koszty instalacyjne. Korzystnym jest fakt, że przy dużej mocy silnika istnieje możliwość przyłączenia stojana bezpośrednio do sieci wysokiego napięcia. Zasilanie silnika z sieci średniego napięcia w zasadzie nie jest możliwe (lub znacząco utrudnione) dla napędów przekształtnikowych. Zmiana kierunku momentu maszyny indukcyjnej pierścieniowej może być uzyskiwana poprzez: zmianę kierunku wirowania pola wytwarzanego w stojanie (przełączenie faz), przez zmianę wartości poślizgu (np. występowanie poślizgu ujemnego) przez wymuszenie kierunku (fazy) prądu w wirniku przekształtnikiem. Przełączenie faz, w stanie pracy ustalonej, powoduje skokową zmianę poślizgu. W pewnych sytuacjach poślizg ten może osiągnąć dość duże wartości, co decyduje o mocy układu przekształtnikowego przyłączonego do wirnika. Praca z dużym poślizgiem eliminuje podstawową zaletę układu polegającą na małej mocy przekształtnika. Ponao przełączenia faz jest wymagany dodatkowy łącznik lub układ przekształtnikowy. Zmiana kierunku momentu wytworzonego w silniku indukcyjnym dla stojana przyłączonego do sieci sztywnej o stałej częstotliwości, metodą zmiany wartości poślizgu może odbyć się tylko poprzez wzrost prędkości pompy, która napędzając układ zapewni przejście np. od prędkości podsynchronicznej do nadsynchronicznej. Po zmianie znaku poślizgu nastąpi zmiana kierunku momentu i wartości w zależności od rodzaju i metody sterowania układu przekształtnikowego. Sterowanie amplitudą i fazą prądu wirnika, za pomocą układu przekształtnikowego, zapewnia sterowanie momentem silnika w całym zakresie prędkości niezależnie od wartości i znaku poślizgu. Jest to najbardziej uniwersalna metoda i najbardziej korzystna w przypadku, gdy bezwzględne wartości poślizgu nie są zbyt duże. Możliwości regulacyjne układu z Maszyną Dwustronnie Zasilaną MDZ Na rys.1 przedstawiono schemat blokowy połączeń układu napędowego hydrogeneratora z energetyczną siecią przemysłową dla pracy w elektrowni szczytowo-pompowej. Przepływ mocy w układzie z regulowaną prędkością obrotową maszyny indukcyjnej pierścieniowej w napędzie MDZ jest zróżnicowany zarówno dla pracy generatorowej i pracy silnikowej a także w zależności od wartości prędkości maszyny w stosunku do prędkości synchronicznej.

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/ PΣ PS U s=const, f s=const jako generator lub silnik napędu pomp w elektrowni szczytowo-pompowej wynosi ok % w stosunku do prędkości synchronicznej S. U R PM M/G S PR Tr CCV Rys.1. Schemat blokowy układu napędowego hydrogeneratora połączonego z energetyczną siecią przemysłową dla pracy w elektrowni szczytowo-pompowej. Należy zauważyć, że przyłączony do wirnika maszyny indukcyjnej przekształtnik sterowany winien zapewnić dowolny kierunek przepływu energii tj. od lub do wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej. Wielkość mocy, jaka przepływa przez przekształtnik jest uzależniona od poślizgu s. Moc układu przekształcającego jest funkcją liniową wymaganego zakresu zmian prędkości maszyny indukcyjnej układu napędowego MDZ sterowanego w obwodzie wirnika. ωs ω PR = PS s ; s = ωs Zmianę kierunku przepływu energii przez przekształtnik umożliwiają sterowane elementy energoelektroniczne takie jak: tyrystory bipolarne, tyrystory GTO, tyrystory IGCT, SGCT tranzystory bipolarne lub typu IGBT. Zaletą sterowania w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej jest to, że moc urządzeń pozwalających na regulację napędu w zakresie pracy generatorowej lub silnikowej z regulowana prędkością obrotową jest mniejsza od mocy samej maszyny indukcyjnej. Z opracowania Instytutu Energetyki wynika, że zakres zmian prędkości maszyny pracującej W układzie napędowym z Maszyną Dwustronnie Zasilaną MDZ oznacza to, że przekształtnik w obwodzie wirnika ma za zadanie zmieniać swoje parametry wyjściowe z częstotliwością od 0 do ok. 7 Hz. Oznacza to także, że moc przekształtników w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej pracującej jako generator lub silnik wynosi max. ok. 14% mocy hydrogeneratora. Np. dla hydrogeneratora o mocy 30 MVA moc urządzeń przekształcających wyniesie ok. 4,5 MVA a dla hydrogeneratora o mocy 200 MVA moc tych urządzeń wyniesie ok. 30 MVA. Zakresy pracy układu z MDZ Zakres pracy silnikowej Schemat rozpływu mocy dla zakresu pracy silnikowej układu z MDZ pokazano na Rys. 2a i 2b. a/ b/ M s M s Rys.2a,b. Kierunki przepływu mocy w układzie MDZ dla zakresu pracy silnikowej przy zmianach prędkości w zakresach: a/ s, b/ s Zakres pracy silnikowej z MDZ jest możliwy przy prędkościach maszyny mniejszych od synchronicznej s ( s ) rys.2a,lub większych s - rys.2b. Przedstawione na rysunkach kierunki przepływu mocy oznaczają, że uzyskanie mocy mechanicznej ruchu obrotowego jest efektem dostarczania mocy elektrycznej do stojana oraz przepływu mocy w wirniku. Dla prędkości mniejszych od syn-

4 122 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/2005 chronicznej ( s ) z wirnika należy odprowadzić moc poślizgu poprzez przekształtnik włączony do obwodu wirnika. Oznacza to falownikowy zakres przekształtnika wirnikowego układu MDZ. Przy prędkościach większych od synchronicznej s do obwodu wirnika należy doprowadzić moc z przekształtnika wirnikowego układu MDZ. Dotyczy to mocy czynnej tj. tej, która jest zamieniana na moc na wale w ruchu obrotowym maszyny i na straty. Moc bierna Q winna być dostarczana do maszyny indukcyjnej układu MDZ. Dostarczanie mocy biernej Q może się odbywać ( w zależności od przyjętej struktury systemu sterowania) poprzez obwód stojana lub wirnika. W większości przypadków do magnesowania silnika (czyli moc bierna Q) jest dostarczana do silnika przez stojan. Chcąc dostarczyć moc bierną poprzez wirnik, należałoby powiększyć moc przekształtnika w wirniku. Dostarczona moc do wirnika pokrywałaby nie tylko moc czynną ( zależy od wielkości obciążenia), ale także moc bierną Q. Oznaczałoby to odpowiednie przewymiarowanie obwodu wirnika w stosunku do stojana. Ten sposób dostarczania mocy biernej przy zastosowaniu odpowiedniego systemu sterowania jest mniej efektywny i spotykany rzadziej. Dla układu, gdzie moc bierna jest dostarczana do silnika przez stojan, moc przekształtnika włączonego do wirnika jest zależna tylko od dopuszczalnego zakresu zmian prędkości maszyny indukcyjnej. Zakres pracy generatorowej c/ d/ G s s Rys.2c,d. Schematyczne kierunki przepływu mocy w układzie MDZ dla zakresu pracy generatorowej przy zmianach prędkości w zakresach: a/ s, b/ s Rozpływ mocy czynnej dla zakresu pracy generatorowej z układem MDZ przedstawiono na Rys.2c i 2d. Rys. 2c przedstawia rozpływ mocy G czynnej układu MDZ pracującego w zakresie generatorowym przy prędkościach mniejszych od synchronicznej s, a rys. 2d przy prędkościach większych od synchronicznej s. Wygenerowanie mocy czynnej w stojanie maszyny indukcyjnej pracującej jako generator jest efektem dostarczania mocy mechanicznej do wału maszyny oraz mocy elektrycznej do wirnika przy prędkościach mniejszych S od synchronicznej. Dla takich zmian prędkości przekształtnik wirnikowy pracuje w zakresie falownikowym. Dla prędkości wirowania generatora większych od synchronicznej S energia elektryczna jest generowana przez stojan i wirnik maszyny indukcyjnej. Przekształtnik wirnikowy pracuje w zakresie prostownikowym. Sterowanie w obwodzie wirnika oraz struktury obwodów silnoprądowych układu MDZ Realizacja sterowania zapewniająca kontrolę mocy czynnej oraz biernej Q S w zakresie pracy generatorowej lub silnikowej maszyny pracującej w hydroelektrowni powinna także uwzględniać możliwość niezależnego sterowania tymi wielkościami wyjściowymi napędu. Budowa określonych struktur sterowania winna być efektem analizy równań obiektu podlegającego określonym metodom sterowania. Poniżej przedstawiono równania maszyny indukcyjnej pierścieniowej wykorzystanej w napędzie odwracalnym w hydroelektrowni z wykorzystaniem wektorów przestrzennych w układzie zorientowanym względem wektora strumienia stojana (w niewielkim stopniu różniących się od układu zorientowanego względem napięcia w obwodzie stojana). Model ten owarza zjawiska zachodzące w maszynie, po przyjęciu następujących założeń upraszczających: -symetria uzwojeń trójfazowych stojana i wirnika -sinusoidalna zmienność przepływów uzwojeń wzdłuż szczeliny powietrznej -punkt pracy obwodu magnetycznego znajduje się w części liniowej charakterystyki magnesowania, co w praktyce oznacza liniową zależność indukcyjności stojana i wirnika przy stałych wartościach indukcyjności własnych i wzajemnych.

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/ Po uwzględnieniu przedstawionych powyżej założeń pracę silnika indukcyjnego pierścieniowego można opisać następującym układem równań różniczkowych: d = α * + α * Kr* ψrx + s * ψsy + usx dψsy = α * ψsy + α * Kr* ψry s * + usy dψrx = β * Ks* β * Kr* ψrx + ( s )* + urx dψrx = β * Ks* β * Kr* ψrx ( s )* + ury 2 d 3* p * Kr p = *[ ψsy * ψrx * ψry] * Mobc 2* σ * Ls* J J gdzie : 2 Lm Rs Rr σ = 1, Ks= Lm, Kr= Lm, α =, β = Ls* Lr Ls Lr σ* Ls σ* Lr Schemat zastępczy obiektu przedstawiono na rys. poniżej (Rys.3) Us s ex Ψsy IRx k1 Rys.3.Schemat zastępczy MDZ oraz sposób sterowania wielkościami wyjściowymi dla zakresu pracy silnikowej (, Q S ) oraz pracy generatorowej (,Q S ) Z równań oraz schematu zastępczego wynika, że w sposób niezależny można regulować dwiema wielkościami wyjściowymi: mocą czynną i bierną Q S. Strukturę sterowania układem MDZ zapewniającą niezależne sterowanie dwiema wielkościami wyjściowymi przedstawiono na rys poniżej (Rys.4.). Mo Urx + τr k2 ey URy + τr IRy k3 Me - τm Qs0 - PS Qs I * Rx I * Ry RIRx U * R S sinγ x-y 2 UPP Rys.4. Struktura układu sterowania MDZ Do zasilania maszyny indukcyjnej asynchronicznej pierścieniowej w układzie napędowym Maszyny Dwustronnie Zasilanej MDZ stosuje się dwa podstawowe rodzaje przekształtników: - zasilające fazy wirnika silnika prądem formowanym w falownikach prądu - pozwalające wymusić prąd o kształcie sinusoidalnym z wykorzystaniem bezpośrednich przemienników częstotliwości lub falowników napięcia. Falowniki prądu są aktualnie stosowane dla dużych i bardzo dużych mocy układów napędowych a w ich obwodach wyjściowych występują filtry pozwalające na zasilanie uzwojeń maszyny prądem o kształcie sinusoidalnym. Kształt prądu zasilającego uzwojenia maszyny jest na tyle zbliżony do sinusoidalnego, że zawartość harmonicznych w prądzie jest niewielka. Bezpośrednie przemienniki częstotliwości stosowane w układach, gdzie sygnał zasilający uzwojenia zmienia swoją częstotliwość do ok. 10 Hz, we współpracy z maszyna indukcyjną asynchroniczną sterowane w obwodzie wirnika są układem, który spełniają wymagania stawiane układom w elektrowniach szczytowopompowych. W falownikach napięcia dla wymuszenia sinusoidalnego prądu w fazach maszyny indukcyjnej stosowane są określone sposoby. Najczęściej stosowana jest metoda modulacji szerokości impulsów (PWM). Częstotliwość zmian napięcia o kształcie prostokątnym przy stosowaniu tej metody jest wielokrotnie wyższa od częstotliwości prądu płynącego w uzwojeniach maszyny i amplitudzie większej od amplitudy pierwszej harmonicznej. Duża stromość impulsu napięcia zasilającego uzwojenia powoduje występowanie szeregu niekorzystnych ex ey R UOUS T -1 > UR cosγ d-q 3 RIRy SO IRx IRy CCV IRx IRd IR x-y 2 IRy T IRq UPIR d-q 3 US

6 124 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 72/2005 zjawisk (naprężenia w izolacji), co powoduje konieczność podwyższenia znacząco odporności izolacji uzwojeń. Niektóre rozwiązania w zastosowaniem falowników napięcia stosujących w sterowaniu metodę modulacji szerokości impulsów dodatkowo wyposażane są w filtry wyjściowe. Podsumowanie Zastosowanie silnika indukcyjnego pierścieniowego do napędu odwracalnego w hydroelektrowni szczytowo-pompowej posiada szereg zalet, zwłaszcza dla układów dużych mocy /rzędu kilkudziesięciu do kilkuset MW/ z ograniczonym, stosunkowo niewielkim zakresem pożądanych zmian prędkości /ok. 5%-10%/ z uwagi na możliwości zastosowania w układach zasilania w wirniku przekształtników energoelektronicznych tyrystorowych lub tranzystorowych. Literatura [1]. Arsudis D.,Vollste W.: Sensor-less power control of a double-fed AC machine with nearly sinusoidal currents. EPE Conference Aachen 89 [2]. Ablin E., Sharaf A., Burridge R.: Wind energy conversion using asynchronous generator. EPE Conference Aachen 89 [3]. Przybylski J.: Silnik indukcyjny pierścieniowy w napędzie odwracalnym w elektrowni szczytowopompowej. Elektroinfo nr 6/2003