GENERATOR Z MASZYN PIERCIENIOW O BEZPOREDNIM STEROWANIU NAPICIA WYJCIOWEGO

Transkrypt

1 Grzegorz Iwaski, Włodzimierz Koczara Politechnika Warszawska, Warszawa GENERATOR Z MASZYN PIERCIENIOW O BEZPOREDNIM STEROWANIU NAPICIA WYJCIOWEGO SLIP-RING INDUCTION GENERATOR WITH DIT OUTPUT VOLTAGE CONTROL Abstract: The main advantage of the variable speed power generation systems with slip-ring induction generator related to cage or synchrono generator is low power and low costs of the power electronics. As the speed range is limited the power converter can be designed on few percent of the generator power, that provide lower losses and costs and higher efficiency. The Direct Voltage Control method of slip ring induction generator is presented in this paper. This method bases on stator voltage vector feedback, that permits the generator can operate as a stand-alone set e.g. in island power systems. Moreover an autonomo operation mode provide the grid connected generator is eful even after the mains outage and can supply isolated part of a grid load. The Direct Voltage Control method es a space vector theory. A stator voltage vector represented in the reference frame rotating with synchrono speed has fixed magnitude and position when the stator voltage amplitude, frequency and phase are fixed. To obtain the fixed values of the voltage vector amplitude and position, two voltage regulators are applied. One of them based on reference and actual stator voltage amplitude is responsible for rotor current amplitude. The second regulator based on reference and actual stator voltage angle referred to synchrono frame is responsible for rotor current frequency. Applied stator voltage control method do not e any information about the rotor speed or position, therefore it can be called sensorless. Moreover an instantaneo value of the generated stator voltage is controlled that provide not only fixed voltage frequency and amplitude but also controlled voltage phase. This is an important advantage in grid and generated voltage synchronization process.. Wstp Układy wytwarzania energii elektrycznej stosowane powszechnie w energetyce odnawialnej wykorzystuj generatory klatkowe lub synchroniczne dołczone bezporednio do systemu energetycznego. Współpraca z sieci takiego generatora odbywa si ze stał prdkoci wynikajc z czstotliwoci sieci. Sztywne połczenie generatora z systemem energetycznym uniemoliwia regulacj prdkoci i dopasowanie si do optymalnego punktu pracy turbiny mechanicznej w celu uzyskania jak najwikszej sprawnoci układu. Zastosowanie przekształtnikowych układów odsprzgajcych pozwala na prac zespołów prdotwórczych ze zmienn prdkoci, oraz pozwala na prac samodzieln turbozespołów przy prdkociach rónych od prdkoci synchronicznej. Przekształtnik poredniczcy w przekazywaniu energii z generatora do systemu energetycznego w przypadku generatora klatkowego lub synchronicznego mi umoliwia przeniesienie pełnej mocy generatora (rys. ). Ω var Ω var Ω var SG CIG PE PE PE Rys.. Generatory: synchroniczny SG, klatkowy CIG i piercieniowy współpracujce z systemem energetycznym z zastosowaniem przekształtnika.

2 W przypadku maszyny piercieniowej przekształtnik dołczony do wirnika maszyny (rys. ) słuy do dostarczania mocy wzbudzenia oraz mocy polizgu co stanowi moe jedynie kilka procent mocy generatora proporcjonalnie do roboczego zakresu prdkoci w odniesieniu do prdkoci synchronicznej. Typowy zakres mocy przekształtnika to 5% mocy generatora przy zakresie prdkoci % powyej i poniej prdkoci synchronicznej []. Zastosowanie maszyny piercieniowej z przekształtnikiem w obwodzie wirnika jako generatora w turbinach o zmiennej prdkoci mechanicznej jest wic w pełni uzasadnione przy mocach rzdu MW i powyej. Sprawno takiego generatora w stosunku do generatora klatkowego czy synchronicznego z przekształtnikiem jest wiksza o -% [].. Układ generatora piercieniowego.. Układ współpracujcy z sieci W obwodzie wirnika maszyny piercieniowej do czsto stosuje si dwa trójfazowe tranzystorowe przekształtniki mostkowe ze wspólnym obwodem poredniczcym napicia stałego, zapewniajce przepływ mocy polizgu w obydwu kierunkach (rys. ). Transformator dopasowujcy MT obnia napicie obwodu poredniczcego DC do poziomu wynikajcego z roboczego zakresu prdkoci generatora a) b) sie Rys.. Struktura przekształtnika w obwodzie wirnika generatora piercieniowego zapewniajca dwukierunkowy przepływ mocy polizgu. MT Wikszo opracowywanych metod regulacji układów wytwarzania energii elektrycznej z maszyn indukcyjn piercieniow wykorzystuje sprzenie od składowych mocy czynnej i biernej oddawanej przez stojan maszyny do systemu energetycznego [][][]. Sztywny system energetyczny zapewnia energi wzbudzenia generatora oraz stabilno napicia stojana niezalenie od stanów dynamicznych układu z generatorem piercieniowym. Układ wytwarzania energii elektrycznej współpracujcy z systemem energetycznym wyposa- ony w regulacj składowych mocy nie pozwala na poprawn prac przy zaniku napicia w systemie. W tej sytuacji układ generatora mi zosta odłczony i moe zosta przyłczony do systemu dopiero po ponownym pojawieniu si napicia w sieci. Kontrola parametrów napicia stojana po odłczeniu generatora od systemu pozwala na poprawn prac i zasilanie czci wydzielonych z sieci odbiorników. Wymaga to jednak opracowania odpowiedniej metody regulacji... Układ pracujcy samodzielnie Generator współpracujcy z systemem moe przej na prac samodzieln zasilajc bezprzerwowo cz odbiorników wydzielon z systemu energetycznego. Pracujcy samodzielnie układ wytwarzania energii elektrycznej z generatorem piercieniowym mona zastosowa równie do zasilania odbiorników podczas awarii systemu energetycznego w układach zasilania rezerwowego, jak równie w układach pracujcych na wyspach, w siłowniach okrtowych itp. Turbozespół pracujcy samodzielnie powinien zapewnia standaryzowane napicie (np. 0V/50Hz) dla przyłczonych do niego odbiorników. Układ generatora piercieniowego powinien zosta ponadto wyposaony w kondensatory filtrujce na stojanie (rys. ) w celu eliminacji harmonicznych wywołanych na skutek procesów łczeniowych. Indukcyjno rozproszenia generatora wraz z pojemnoci dołczon do stojana stanowi filtr dolnoprzeptowy wygładzajcy przebieg napicia wyj- ciowego. Kondensatory C f oprócz właciwoci filtrujcych pełni równie rol kompensatora czci mocy biernej potrzebnej do magnesowania maszyny.

3 C f obcienie MT Rys.. Układ generatora piercieniowego pracujcego samodzielnie z przekształtnikiem w obwodzie wirnika. Układ pracujcego samodzielnie generatora piercieniowego w aplikacjach wyspowych wymaga zastosowania metody uzyskania pierwotnego wzbudzenia. Poprzez dołczenie na czas rozruchu dodatkowych kondensatorów do obwodtojana (rys. 4) oraz chwilowe zwarcie zacisków wirnika za pomoc łcznika PSR uzyskuje si tzw. samowzbudzenie maszyny co skutkuje naładowaniem kondensatora w obwodzie poredniczcym przekształtnika [4]. Innym sposobem wstpnego naładowania obwodu napicia stałego jest wykorzystanie małego akumulatora ESt lub połczonego przez prostownik diodowy generatora z magnesami trwałymi PMG o mocy rzdu ułamków procenta mocy generatora piercieniowego. Po wstpnym naładowaniu kondensatora w obwodzie napicia stałego przekształtnika układ generatora piercieniowego jest gotowy do pracy autonomicznej. C f PSCa PSL MT 4. Regulacja napicia wyjciowego generatora piercieniowego. Regulacja w układzie generatora piercieniowego odbywa si poprzez sterowanie prdem wirnika. Zarówno praca autonomiczna jak i współpraca z systemem energetycznym wymaga wymzenia w obwodzie wirnika prdu o odpowiedniej amplitudzie, czstotliwoci oraz fazie. Wymzenie w wirniku prdtałego powoduje, e generator piercieniowy pracuje jak generator synchroniczny, czyli czstotliwo generowanego na stojanie napicia wynika z prdkoci obrotowej wirnika. Wymzajc w wirniku prd przemienny o czstotliwoci f r otrzymuje si na stojanie napicie o czstotliwoci f s równej sumie czstotliwoci wynikajcej z mechanicznego obrotu wirnika f m oraz czstotliwoci obrotu pola wzgldem wirnika f r (polizgu). f = f f () s m Przy zmiennej prdkoci mechanicznej wirnika regulacja czstotliwoci napicia stojana mi odbywa si przez zmian czstotliwoci prdu wirnika. Amplituda generowanego na stojanie napicia zaley od amplitudy prdu wirnika oraz obcienia, zatem regulacja amplitudy napicia stojana odbywa si przez sterowanie amplitud prdu wirnika. Dokonujc pomiaru amplitudy oraz czstotliwoci napicia generowanego na stojanie generatora piercieniowego mona wymi metod regulacyjn odpowiedni prd wirnika w celu osignicia wartoci zadanych amplitudy i czstotliwoci napicia stojana. Dziki temu mona wyeliminowa czujniki prdkoci obrotowej i połoenia wirnika (rys.5). r C a PMG obcienie ESt DC przekształtnik MSI MSI RIr CP i r RUs MDZ CN PSR regulator prdu wirnika i r regulator napicia stojana Rys. 4. Metody osignicia wzbudzenia autonomicznego generatora piercieniowego. Rys. 5. Koncepcja metody regulacji napicia stojana bez czujnika wielkoci mechanicznych.

4 Zastosowanie teorii wektora przestrzennego do realizacji metody regulacji pokazanej na rysunku 5 powoduje regulacj wartoci chwilowych generowanego napicia. Symetryczne napicie trójfazowe stojana, u, u sprowadzone do wirujcego z prdko- ci synchroniczn Ω układu współrzdnych dq daje wektor opisany dwiema współrzdnymi d, q. u = u ju () s sd Współrzdne tego wektora s obliczone według d = u sa sq cos ( u ) sin( Ω t) ( Ω t) () Proponowana metoda Bezporedniej Regulacji Napicia [4][5][6] jest hematycznie zaprezentowana na rysunku 6. Dwa regulatory wektora napicia stojana (RU regulator amplitudy, Rα - regulator kta) zastosowano do wyznaczenia drog regulacyjn odpowiednio zadanych wartoci amplitudy i r oraz prdkoci ktowej Ω ir wektora prdu wirnika. Warto zadana kta wektora prdtojana wynosi α 0, (7) = co oznacza, e wektor zadany napicia stojana pokrywa si z osi d wirujcego układu współrzdnych. Całkowanie zadanej prdkoci ktowej wektora prdu wirnika prowadzi do wyznaczenia kta wektora prdu wirnika wzgldem wirnika. φ ir ( t) Ω ( τ ) dτ = (8) ir q = u sa sin ( u ) cos( Ω t) ( Ω t) (4) s stałe w czasie jeli czstotliwo napicia trójfazowego odpowiada prdkoci wirowania układu współrzdnych. Jeli zatem układ regulacji zapewni stałe warto- ci składowych wektora napicia stojana d, q w wirujcym układzie współrzdnych dq, co odpowiada stałej amplitudzie i ktowi połoenia wektora w układzie współrzdnych biegunowych Aφ to odpowiadajce wektorowi napicie trójfazowe stojana, u, u bdzie stałe co do amplitudy, czstotliwoci i fazy. Przekształcajc wektor do współrzdnych biegunowych otrzymuje si odsprzon regulacj amplitudy i czstotliwoci napicia stojana. Reprezentacja wektora w układzie współrzdnych biegunowych jako amplitudy i kta połoenia odbywa si za pomoc C f MDZ CP, i rb, i rc PCo MSI RIr DC Ω, u, u d i rb i rc dq (5) RU abc () (4) i r A φ (9) a b c CN (6) Rα φ ir α q α Ω ir u = u u (5) s sd sq q α = a tan (6) d Rys. 6. Schemat metody Bezporedniej Regulacji Napicia autonomicznego generatora pier- cieniowego.

5 Transformacja zadanego wektora prdu wirnika i r z wirujcego biegunowego układu współrzdnych Aφ do układu a b c zwizanego z wirnikiem odbywa si za pomoc i i i ra rb rc φir = i r cosφir π / (9) φir π / Osignite w ten sposób trzy zadane sygnały dla trzech prdów wirnika, i rb, i rc s wielkociami odniesienia dla regulatora prdu wirnika RIr. Działanie regulatora kta α wektora napicia stojana Rα decyduje o zadanej prdkoci ktowej Ω ir prdu wirnika i powoduje jego odpowiednie przesunicie tak, by wytwarzany wektor napicia stojana pokrywał si z wektorem zadanym. W stanie dynamicznym wywołanym zmienn prdkoci obrotow wirnika odchylenie wektora napicia stojana od pozycji zadanej niesie informacj, e wektor prdu wirnika i r powinien zosta przesunity o kt β ir do pozycji i r (rys. 7), w której wektor napicia stojana pokryje si z wektorem zadanym. jq jβ q Ω d d α i r γ ir Rys. 7. Wykres wektorowy napicia stojana oraz prdu wirnika w stanie dynamicznym wywołanym zmian prdkoci mechanicznej β ir i r α 5. Wyniki bada laboratoryjnych Proponowan metod regulacji napicia autonomicznego generatora piercieniowego sprawdzono w układzie laboratoryjnym z maszyn piercieniow o mocy, kw oraz napiciu stojana 0/80V i napiciu wirnika 6V. Czstotliwo napicia generowanego na stojanie jest sum czstotliwoci prdu wirnika i czstotliwoci odpowiadajcej prdkoci mechanicznej (). Oylogram napi dwóch faz stojana, u oraz prd fazy wirnika w stanie talonym przy prdkoci 900 obr/min przedstawiono na rysunku 8. u Rys. 8. Oylogram napi stojana u w dwu fazach oraz prdu jednej fazy wirnika przy prdkoci mechanicznej 900 obr/min Stała czstotliwo i amplituda napicia stojana s zachowane niezalenie od prdkoci obrotowej wirnika poprzez dopasowanie czstotliwo- ci prdu wirnika do aktualnej prdkoci mechanicznej. Na rysunku 9a przedstawiono zachowanie si prdu wirnika przy zmianie prdkoci mechanicznej w zakresie od 800 obr/min do 00 obr/min, podczas gdy w czci b tego rysunku pokazano wybrany jeden okres generowanego napicia podczas zmiany prdkoci. W tym zakresie prdkoci mamy do czynienia z przekroczeniem prdkoci synchronicznej, która dla badanego generatora wynosi 000 obr/min. Przy przekraczaniu prdkoci synchronicznej wektor prdu wirnika zmienia swój kierunek wirowania wzgldem wirnika na przeciwny powodujc zmian kolejnoci faz prdów wirnika i charakterystyczny ich przebieg jak na rysunku 9a.

6 a) Kompensacja odkształce generowanego napicia za pomoc forsowania odpowiedniego kształtu prdu wirnika (rys. 4) minimalizuje negatywny wpływ obcienia nieliniowego, jednak z powodu duej indukcyjnoci generatora małej mocy nie eliminuje całkowicie tego zjawiska. i rb a) b) i obca b) Rys. 9. Prdy wirnika, i rb (a), oraz prd wirnika i jeden okres napicia stojana (b) podczas zmiany prdkoci obrotowej od 800 do 00 obr/min Proponowany układ regulacji autonomicznego generatora piercieniowego utrzymuje stał amplitud i czstotliwo generowanego napicia równie w przypadku zmiany obcienia. Na rysunku 0a przedstawiono oylogram napicia stojana i prdu obcienia i obc podczas załczenia 75% obcienia znamionowego generatora, podczas gdy w czci b tego rysunku przedstawiono oylogram napicia stojana i prdu obcienia podczas wyłczenia 75% obcienia znamionowego. Przed włczeniem i po wyłczeniu obcienia układ generatora pracuje nieobciony. Przypadek dołczenia obcienia nieliniowego w postaci trójfazowego mostka diodowego z filtrem wyjciowym LC zaprezentowano na rysunku. Odbiornik rezystancyjny o mocy 5% obcienia generatora dołczony do wyj- cia prostownika nie wpływa niekorzystnie na przebieg napicia generatora. W przypadku dołczenia odbiornika o wikszej mocy (50% mocy generatora) strome narastanie zbocza prdu obcienia powoduje odkształcenie generowanego napicia (rys. ). i obca Rys. 0. Napicie stojana i prd obcienia i obc podczas załczenia (a) oraz wyłczenia (b) 75% obcienia znamionowego generatora. i obca Rys.. Napicie stojana i prd obcienia i obc przy zasilaniu odbiornika nieliniowego o mocy 5% obcienia znamionowego.

7 i obca Zapewnienie dostpu do punktu neutralnego stojana połczonego w gwiazd przez wyprowadzenie przewodu neutralnego powoduje popraw symetrii napi (rys. 5). Dziki zastosowaniu czteroprzewodowego układu połcze po stronie stojana moliwe jest zasilanie obci- e asymetrycznych o nieduej asymetrii. Zasilanie obcie o wikszej asymetrii wymaga opracowania odpowiedniej metody korekcji asymetrii napicia. Rys.. Napicie stojana i prd obcienia i obc przy zasilaniu odbiornika nieliniowego o mocy 50% obcienia znamionowego. u u Rys.. Forsowanie prdu wirnika w celu eliminacji zniekształce napicia stojana podczas obcienia odbiornikiem nieliniowym. W przypadku obcienia generatora odbiornikiem niesymetrycznym brak dostpu do punktu neutralnego stojana generatora powoduje znaczn asymetri napi stojana nawet przy małej asymetrii obcienia (rys. 4). u u Rys. 4. Asymetria napi przy małej asymetrii obcienia (0%) i braku dostpu do punktu neutralnego stojana generatora. Rys. 5. Napicie trójfazowe generatora przy małej asymetrii obcienia (0%) i dostpie do punktu neutralnego stojana generatora. 7. Literatura []. Muller S., Deicke M., De Doncker R.W.: Doubly fed induction generator systems for wind turbines. IEEE Indtry applications Magazine, /00 s. 6- []. Bogalecka E., Krzemiski Z.: Sensorless control of double fed machine for wind turbines. EPE- PEMC 00, Cavtat&Dubrovnik, Chorwacja []. Krzemiski Z.: Sensorless multialar control of double fed machine for wind power generators. PCC 00, Osaka, Japonia [4]. Iwaski G., Koczara W.: Control system of the variable speed autonomo doubly fed induction generator. EPE-PEMC 004, Ryga, Łotwa [5]. Iwaski G., Koczara W.: Sensorless stand alone variable speed system for distributed generation. PESC 004, Aachen, Niemcy [6]. Iwaski G., Koczara W.: Simple autonomo sensorless generation system with wound induction machine. ISIE 004, Ajaccio, Francja Autorzy prof. dr hab. Włodzimierz Koczara, mgr. in. Grzegorz Iwaski, Politechnika Warszawska,, Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, ul. Koszykowa 75, Warszawa, tel , fax koczara@isep.pw.edu.pl iwanskig@isep.pw.edu.pl