Algorytm sterowania przekształtnikiem DC/AC dla małej elektrowni wiatrowej

Paweł MŁODZIKOWSKI, Adam MILCZAREK, Marisz MALINOWSKI Politechnika Warszawska, Instytt Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Algorytm sterowania przekształtnikiem DC/AC dla małej elektrowni wiatrowej Streszczenie Artykł omawia zagadnienia sterowania przekształtnikiem DC/AC pośredniczącym w przekazywani energii elektrycznej wyprodkowanej przez małą elektrownię wiatrową (MEW) do sieci elektroenergetycznej nn lb odbiorników lokalnych Abstract Paper presents control methods for a DC/AC converter working in a grid connected or a stand-alone mode and transferring energy from a small wind trbine to the electrical grid or atonomos local grid(control algorithm of a DC/AC converter for a small wind power plant) Słowa klczowe: mała elektrownia wiatrowa, bezpośrednie sterowanie mocą, synchronizacja z siecią, praca atonomiczna Keywords: small wind trbine, DPC-SVM, grid synchronization, stand-alone mode Wstęp Elektrownie wiatrowe są ważnym elementem w systemie energetyki rozproszonej, co więcej ich dział szybko wzrasta, szczególnie w zakresie małych mocy Wedłg normy IEC 6400-0 [] małą elektrownią wiatrową możemy nazwać trbinę, której powierzchnia zakreślana przez łopaty trbiny wynosi od m do 00m Na rysnk przedstawiony jest schemat blokowy małej elektrowni wiatrowej zaprojektowanej do pracy atonomicznej oraz do pracy przy podłączeni do sieci elektroenergetycznej Składa się ona z następjących bloków: silnika wiatrowego oraz prądnicy z magnesami trwałymi (PMSG) połączonymi ze sobą bez pośrednictwa przekładni [8], przekształtnika AC/DC najczęściej złożonego z sześcioplsowego prostownika diodowego oraz przetwornicy DC/DC podwyższającej napięcie i słżącej do maksymalnego wykorzystywania mocy szczytowej MPPT (ang Maximm Power Point Tracking) [9], przekształtnika DC/AC, na którym skpiono się w tym artykle, którego zadaniem jest przekazywanie wyprodkowanej przez MEW energii do sieci elektroenergetycznej bądź, zasilanie odbiorników lokalnych w trybie pracy atonomicznej (możliwiającego również pracę przy dżej asymetrii obciążenia) Topologie przekształtników DC/AC dla MEW W elektrowniach wiatrowych stosowane są różne topologie przekształtników, co ma wpływ na cenę, sprawność oraz sposób przekształcania energii do postaci, w której odbiorca może ją wykorzystać Do topologii, które mogą być żyte w kładzie MEW ze względ na specyfikę pracy tj przy podłączeni do sieci elektroenergetycznej i atonomiczna z możliwością niezależnego obciążenia każdej z faz, należy zaliczyć: przekształtnik jednofazowy mostkowy, przekształtnik trójfazowy czteroprzewodowy, przekształtnik trójfazowy z transformatorem -Υ Jednym z najpoplarniejszych na rynk małych elektrowni wiatrowych jest (sprzedawany przez min firmy SMA czy też Carlo Gavazzi) jednofazowy przekształtnik mostkowy (rys a) Charakteryzje się prostą bdową, niską ceną oraz możliwością prostego sterowania Największą wadą takiej konstrkcji jest możliwość zasilania tylko jednofazowych odbiorników W cel obciążenia trójfazowego niezbędne jest zastosowanie trzech takich kładów, ale wzrastają wtedy koszty związane z dżą liczbą tranzystorów i kładów sterjących Inną możliwością jest zastosowanie trójfazowego przekształtnika czteroprzewodowego (rysb) z netralnym przewodem dołączonym pomiędzy kondensatory w obwodzie pośredniczącym Mankamentem takiego rozwiązania jest dża pojemność gałęzi kondensatorowej, jak również zmniejszenie zakres liniowości modlatora, który msi być tak skonstrowany, aby nie wprowadzać do obwod trzeciej harmonicznej Pierwsza wada może być wyeliminowana poprzez zastosowanie przekształtnika czterogałęziowego, w którym przewód netralny dołączony jest do czwartej gałęzi, będącej podobnie jak pozostałe, półmostkiem złożonym z dwóch tranzystorów (rys c) Rozwiązanie takie pozwala zastosować mniejszy kondensator w obwodzie pośredniczącym w porównani do poprzedniego przypadk, jednak dalej ograniczona zostaje liniowość modlatora oraz bardziej skomplikowane staje się sterowanie Kolejną możliwą do wykorzystania topologią przekształtnika DC/AC dla MEW jest przekształtnik trójfazowy trójprzewodowy z dodatkowym transformatorem -Y (rys d) Ze względ na łatwą dostępność tego typ przekształtnika oraz możliwość wykorzystania wiel znanych algorytmów sterowania to rozwiązanie wybrano do dalszych badań kład sterowania przekształtnikiem DC/AC dla MEW kład sterowania przekształtnikiem DC/AC dla MEW msi zapewniać poprawne działanie w dwóch trybach pracy tj atonomicznej i przy podłączeni do sieci elektroenergetycznej, jak również zapewnić płynne przełączanie pomiędzy nimi Dlatego możemy wyróżnić trzy bloki sterowania (rys 3): Rys Schemat blokowy małej elektrowni wiatrowej PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-097, R 87 NR 6/0 67

Rys Przekształtniki: a) jednofazowy mostkowy, b) trójfazowy czteroprzewodowy z dzielonym obwodem pośredniczącym, c) trójfazowy czterogałęziowy, d) trójfazowy trójgałęziowy z transformatorem trójkąt-gwiazda DPC-SVM (ang Direct Power Control Space Vector Modlation) zapewniający poprawną pracę przy podłączeni do sieci elektroenergetycznej, reglacji napięcia przy pracy atonomicznej, monitoring Bezpośrednie sterowanie mocą (DPC-SVM) Algorytm DPC-SVM bazjący na bezpośrednim sterowani chwilową mocą czynną i bierną [7],[] zapewnia: zyskanie jednostkowego współczynnika mocy, trzymanie napięcia w obwodzie pośredniczącym na stałym poziomie, małą zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach prądów wyjściowych, poprawną pracę przy zniekształconym napięci w linii elektroenergetycznej Na rysnk 3 przedstawiony jest schemat blokowy algorytm DPC-SVM Zadane wartości mocy czynnej p ref i biernej q ref są porównywane z wartościami estymowanymi tych mocy otrzymanymi ze wzorów : (a) px L i L L i L (b) qx i i L L L L gdzie: i Lα, i Lβ - prądy fazowe po transformacji do kład α-β; Lα, Lβ - napięcia fazowe po transformacji do kład α-β [3] chyb reglacji podany jest na wejścia reglatorów proporcjonalno-całkjących Otrzymane wartości napięć zadanych w kładzie d-q oraz chwilowe położenie kątowe wektora reprezentjącego napięcia sieciowe są przekształcane do kład α-β i podane zostają na wejście modlatora wektorowego Reglacja napięcia przy pracy atonomicznej Najważniejszym kryterim branym pod wagę przy wyborze metody sterowania przy pracy atonomicznej była jej prostota, dzięki której będzie można zaimplementować algorytm sterowania żywając taniego system mikroprocesorowego o małej mocy obliczeniowej Metoda przedstawiona na rysnk 3 bazje na pętlach reglacji napięcia we współrzędnych (d-q) [4-5] Nadrzędna pętla reglacji odpowiada za trzymanie wartości napięcia dc na stałym zadanym poziomie, a wartości d_ ref i q_ ref razem z sygnałami Ld i Lq tworzą sygnały wejściowe reglatorów PI w podrzędnych pętlach reglacji: Sygnał q_ ref jest równy zero, dzięki czem wektor napięcia generowanego przez przekształtnik pokrywa się z osią d wirjącego kład współrzędnych, zaś amplitda tego napięcia zależy jedynie od jednej współrzędnej d_ ref Pozwala to w prosty sposób kontrolować napięcię wyjściowe przekształtnika W cel wyeliminowania czjników pomiarowych napięć fazowych zastosowano estymator, którego sygnały po transformacie α-β/d-q: () Ld Lq cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) L są doprowadzone do smatorów, zaś powstałe na ich wyjści chyby sprowadzane są do zera poprzez reglatory PI Sygnały wyjściowe z reglatorów po transformacji d-q/α-β (3) s s cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) są sygnałami zadanymi dla modlatora wektorowego, który kształtje napięcie wyjściowe przekształtnika W przypadk, gdy obciążenie lokalne nie będzie wykorzystywać całej mocy z prądnicy zostanie załączony blok sterowania kładem rozpraszania energii Energia ta msi zostać wytracona na rezystorze dołączanym do obwod DC tak, aby wzrost napięcia nie spowodował szkodzenia kondensatorów w obwodzie pośredniczącym Rezystor obciążający obwód pośredniczący powinien być tak dobrany, aby odebrał całą energię z prądnicy w sytacji krytycznej (moc rezystora powinna być równa mocy znamionowej prądnicy) Chwilowa moc obciążenia widziana od strony obwod pośredniczącego opisana jest równaniem: (4) pdc dc idc Jest ona porównywana z mocą chwilową obciążenia trójfazowego p obc, którą można wyliczyć na podstawie wzor: (5) pobc LaiLa LbiLb LciLc L sd sq 68 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-097, R 87 NR 6/0

Rys 3 Schemat algorytm sterowania podczas pracy na sieć i pracy atonomicznej Ponieważ w kładzie nie ma pomiar napięć, sygnały La, Lb oraz Lc są estymowane na podstawie współczynników wypełnień implsów sterjących łącznikami oraz napięcia dc : (6a) dc D D D La 3 A B C, dc D B D A D C 3, dc D C D A D B 3 (6b) Lb (6c) Lc Po wykonani obliczeń chyb mocy podawany jest na reglator proporcjonalny, którego wzmocnienie jest wyznaczone na podstawie wzor: K (7) p PN gdzie: P N moc znamionowa prądnicy Sygnał wyjściowy z reglatora po porównani z sygnałem piłokształtnym o amplitdzie równej P N jest szerokością impls załączającego tranzystor T d Monitoring Poprawna praca przekształtnika pracjącego z siecią energetyczną wymaga napięcia trójfazowego o parametrach opisanych w normie PN-EN 5060:008 [6] Przejście z pracy atonomicznej do pracy z siecią energetyczną odbywa się w następjących krokach: - sprawdzenie, czy wartość skteczna napięcia fazowego rms mieści się w przedziale 0753 V (30 V ±0%); - sprawdzenie czy częstotliwość napięcia sieci elektroenergetycznej mieści się w przedziale 49,550,5 Hz (50 Hz ±%); - synchronizacja kąta fazowego przekształtnika z siecią energetyczną za pomocą algorytm PLL (ang Phase Locked Loop); - załączenie przekształtnika do sieci energetycznej i przełączenie algorytm sterowania z pracy atonomicznej na prace z siecią elektroenergetyczną Aby określić, czy wartość skteczna napięcia sieci mieści się w dopszczalnym przedziale, zostaje wyliczona amplitda amp na podstawie wzor: (8) amp L L Przedział w jakim może zmienić się amplitda to ±0% wartości nominalnej, czyli od 97V do 3578V (co odpowiada 07 V do 53 V napięcia fazowego) Wartości Lα oraz Lβ są wyliczone na podstawie transformacji opisanej równaniem: (9) L L L 0 0 3 3 W przypadk niesymetrii napięć powyższy warnek jest niewystarczający, dlatego następnym krokiem jest spełnienie nierówności: (0) 0,84V L0 0, 84V gdzie: L0 jest składową zerową napięcia we współrzędnych stacjonarnych (α-β-0) wyliczoną na podstawie równania (9) Graniczne przedziały z zależności (9) zostały wyznaczone eksperymentalnie i równe są ±3% amplitdy napięcia fazowego sieci elektroenergetycznej W następnej kolejności zostaje sprawdzony warnek: () 49,5 Hz f grid 50, 5 Hz Ostatnim krokiem jest synchronizacja, która odbywa się za pośrednictwem pętli synchronizacji fazy (PLL) Jest ona jednym z najważniejszych elementów w systemach sprzężonych z siecią energetyczną pozwalającym na bezdarowe przełączenie z pracy atonomicznej do pracy z siecią elektroenergetyczną Zastosowane rozwiązanie La Lb Lc PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-097, R 87 NR 6/0 69

przedstawia rysnek 4 Z zależności trygonometrycznej na sins różnicy kątów wyliczona zostaje Θ Fnkcja sins osiąga wartość zero, gdy różnica kątów ( ) jest równa 0 lb π W przypadk, gdy ( ) =π napięcia sieci elektroenergetycznej i przekształtnika znajdją się w przeciwfazie, więc należy zabezpieczyć kład żeby algorytm PLL doprowadzał ( ) jedynie do zera Znając wartość różnicy kątów oraz algorytm PLL obliczy chyb z jednego ze wzorów () lb (3) tak, aby zmniejszenie tej różnicy nastąpiło po najkrótszej drodze wektora napięcia przekształtnika wg zależności dla ( ) > π i zależności 3 dla ( ) < π [4] () sin( ) sin cos cos sin (3) sin( ) cos sin sin cos W skrajnym przypadk, gdy ( ) =π, do Θ zostaje dodany niewielki łamek kąta co powodje, że ( ) π i kład przechodzi do sytacji opisanej powyżej Po spełnieni wszystkich powyższych warnków kład zostaje dołączony do sieci elektroenergetycznej Gdy kład nie spełni któregoś z powyższych równań zostanie od niej odłączony i ponownie przejdzie w tryb pracy atonomicznej, w której Θ jest równa 0, zaś kąt Θ wyliczony jest jedynie na podstawie _ref zgodnie z rysnkiem 4 Tabela Parametry model symlacyjnego Moc P 5 kw Napięcie sieci energetycznej (wartość skteczna) rms 30 V Napięcie w obwodzie pośredniczącym DC 700 V Częstotliwość łączeń f s 0 khz Częstotliwość napięcia sieci energetycznej f sieci 50 Hz Indkcyjność filtr LC w jednej fazie L f 5 mh Pojemność kondensatora w filtrze LC C f 3 F Pojemność kondensatora w obwodzie pośredniczącym Rezystancja załączana do obwod pośredniczącego C dc R dc 0mF 90 Badania symlacyjne Za pomocą program SABER firmy Synopsys został stworzony model symlacyjny przedstawiony na rysnk 6 Algorytm sterowania jest opisany w język programistycznym MAST, który swoją składnią zbliżony jest do języka C Parametry model symlacyjnego przedstawiono w tabeli Rys 4 Schemat algorytm PLL [5] L L L L Rys 5 Synchronizacja fazy: a) kład niezsynchronizowany; b) kład zsynchronizowany Badania symlacyjne obejmowały: tryb pracy przy podłączeni do sieci elektroenergetycznej (rys 7-8) tryb pracy atonomicznej (rys 9-0) przełączanie pomiędzy trybami (rys 4) L L Rys 6 Model symlacyjny w programie Saber 70 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-097, R 87 NR 6/0

Rys 0 Praca przekształtnika przy obciążeni dwóch faz, od góry: napięcia fazowe La, Lb, Lc, prądy fazowe i La, i Lb, i Lc Rys 7 Przebiegi w stanie stalonym dla algorytm DPC-SVM, od góry: napięcie fazowe od strony sieci elektroenergetycznej La, prąd fazowy i La, napięcie fazowe od strony przekształtnika Sa, moc czynna p i bierna q, napięcie w obwodzie pośredniczącym DC Rys Praca przekształtnika przy obciążeni jednej fazy bliskiej mocy znamionowej prądnicy, od góry: napięcia fazowe La, Lb, Lc, prądy fazowe i La, i Lb, i Lc Rys 8 Stan przejściowy dla pracy z siecią elektroenergetyczną, przy różnych poziomach mocy wytwarzanej przez prądnicę, od góry: napięcie fazowe La, prąd fazowy i La, moc czynna p i bierna q, napięcie w obwodzie pośredniczącym DC Rys Przebiegi podczas skokowego zmniejszenia obciążenia z 5 kw do,5 kw, od góry: napięcia fazowe La, Lb, Lc, prądy fazowe i La, i Lb, i Lc, Rys 9 Przebiegi dla przekształtnika w pracy atonomicznej przy obciążeni o mocy 5 kw, od góry: napięcia fazowe La, Lb, Lc, prądy fazowe i La, i Lb, i Lc Rys 3 Przebiegi podczas skokowego zwiększenia obciążenia z,5 kw do 5 kw, od góry: napięcia fazowe La, Lb, Lc, prądy fazowe i La, i Lb, i Lc, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-097, R 87 NR 6/0 7

Rys 4 Praca przekształtnika przy przełączani pomiędzy trybami pracy, od góry: tryb pracy, napięcia fazowe La, Lb, Lc, prądy fazowe i La, i Lb, i Lc, napięcie w obwodzie pośredniczącym DC 6 Wnioski Badania symlacyjne przedstawionego algorytm sterowania trójfazowym przekształtnikiem z transformatorem -Υ zastosowanym do małych elektrowni wiatrowych potwierdzają poprawną pracę kład pracjącego atonomicznie jak i podłączonego do sieci elektroenergetycznej Zaproponowany prosty kład monitorjący możliwia płynne przejście pomiędzy trybami pracy zapewniając bezprzerwowe zasilanie dla obciążenia lokalnego oraz ponowne bezdarowe podłączenie do sieci elektroenergetycznej Praca została wykonana w ramach projekt rozwojowego nr N R0 005 06/009 finansowanego przez Narodowe Centrm Badań i Rozwoj LITERATRA [] IEC 6400-0 Design reqirements for small wind trbines, IEC, (007) [] M a linowski M, Sensorless Control Strategies for Three Phase PWM Rectifiers, PhD Thesis, Warszawa, (00) [3] M ilczarek A, Sterowanie trójfazowym przekształtnikiem MSI dla małej elektrowni wiatrowej przy pracy atonomicznej oraz podłączeni do sieci energetycznej, Praca dyplomowa magisterska, Warszawa, (00) [4] Fat M, Ttelea L, Teodoresc R, Blaabjerg F, B o l dea I, Motion Sensorless Bidirectional PWM Converter Control with Seamless Switching from Power Grid to Stand Alone and Back, Power Electronics Specialists Conference, Orlando, FL, (007), pp 39-44 [5] Teodoresc R, Blaabjerg F, Flexible Control of Small Wind Trbines With Grid Failre Detection Operating in Stand- Alone and Grid-Connected Mode, IEEE transaction on power electronics, vol 9, (004), n5, pp 33-33 [6] PN-EN 5060:008 Parametry napięcia zasilającego w pblicznych sieciach rozdzielczych, Polski Komitet Normalizacyjny, (008) [7] Malinowski M, Jasinski M, Kazmierkowski M P, Simple Direct Power Control of Three-Phase PWM Rectifier sing Space Vector Modlation, - EPE-PEMC`0 Conf - Croatia, (00), pp 4-8 [8] Goryc a Z, Z i ół ek M, Malinowski M, Moment zaczepowy wielobiegnowej maszyny z magnesami trwałymi, SME 00 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe, nr 88, (00), str 53-56 [9] K o t R, Opracowanie, badania I wykonanie prostownika oraz przetwornicy DC/DC do maksymalnego wykorzystania dostępnej energii z generatora PMSG, Praca dyplomowa magisterska, Warszawa, (00) Atorzy: mgr inż Paweł Młodzikowski, Politechnika Warszawska, Instytt Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, l Koszykowa 75, 00-66 Warszawa, E-mail: mlodzikp@iseppwedpl mgr inż Adam Milczarek, Politechnika Warszawska, Instytt Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, l Koszykowa 75, 00-66 Warszawa, E-mail: adammilczarek@eepwedpl dr inż Marisz Malinowski, Politechnika Warszawska, Instytt Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, l Koszykowa 75, 00-66 Warszawa, E-mail: malin@iseppwedpl 7 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-097, R 87 NR 6/0