POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 80 Electrical Engineering 2014 Michał KRYSTKOWIAK* Adam GULCZYŃSKI* BUDOWA ORAZ ALGORYTM STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA ENERGOELEKTRONICZNEGO ZAIMPLEMENTOWANEGO W NIEKONWENCJONALNYM SYSTEMIE MINI ELEKTROWNI WODNEJ DEDYKOWANEJ DLA JEDNOSTEK JACHTOWYCH W artykule zaprezentowano opracowany, niekonwencjonalny system zasilania jednostek jachtowych. Bazuje on m.in. na oferowanym na rynku tzw. silniku manewrowym, który zaadaptowano do pracy generatorowej. Dodatkowo zaimplementowano przekształtnik energoelektroniczny DC/DC dopasowujący parametry wytwarzanej energii elektrycznej przy zmieniających się warunkach pracy całego systemu. Przedstawiono opracowany algorytm sterowania MPPT (Maximum Power Point Tracking) umożliwiający maksymalizację sprawności całego systemu oraz wymieniono ważniejsze funkcje systemu zabezpieczeń. SŁOWA KLUCZOWE: przekształtnik DC/DC, silnik manewrowy, turbina, algorytm MPPT 1. OGÓLNA KONCEPCJA ALTERNATYWNEGO SYSTEMU ZASILANIA JEDNOSTEK JACHTOWYCH Zaprezentowany w artykule system alternatywnego zasilania jednostek jachtowych został zrealizowany dla firmy EUROTECH-JACHT [1] w ramach stażu organizowanego przez Urząd Marszałkowski Województwa Wielkopolskiego z siedzibą w Poznaniu [2]. System ten dedykowany jest przede wszystkim dla jednostek jachtowych, które nie dysponują spalinowym silnikiem stacjonarnym sprzężonym z alternatorem. W takim przypadku jedynym źródłem energii elektrycznej na zwodowanym obiekcie są najczęściej zainstalowane akumulatory, które jednak wymagają doładowywania. Wiąże się to często z koniecznością przerwania rejsu ze względu na ładowanie za pomocą urządzeń zainstalowanych na lądzie (wymagających zwykle dostępu do sieci napięcia przemiennego 230 V). Pewną alternatywą jest stosowanie, np. ogniw fotowoltaicznych. Jednak ze względu na ich koszt, znaczne gabaryty oraz trudności wynikające z samego * Politechnika Poznańska.
28 Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński montażu (często brak miejsca na pokładzie) jest to rozwiązanie wielokrotnie nieuzasadnione ekonomiczne, zwłaszcza w naszej strefie klimatycznej. W ramach prowadzonych prac zaproponowano rozwiązanie umożliwiające doładowywanie akumulatorów oraz zasilanie opcjonalnych odbiorników zainstalowanych na pokładzie jednostki pływającej w trakcie rejsu wykorzystując konwersję energii przepływu wody na energię elektryczną (green energy). Jako źródło energii elektrycznej wykorzystano generator elektryczny napędzany turbiną wodną bazujący na powszechnie instalowanych na jachtach tzw. silnikach manewrowych doczepianych do tylnej części kadłuba w sposób przedstawiony na rys. 1. Rys. 1. Sposób montażu silnika manewrowego (rysunek poglądowy) W celu m.in. zapewnienia wymaganych parametrów energii elektrycznej generowanej przez generator bazujący na silniku manewrowym zaimplementowano urządzenie HPS 01 (nazwa własna autorów urządzenia skrót z języka angielskiego: Hydrous Power System), którego podstawowym podzespołem jest przekształtnik energoelektroniczny DC/DC typu boost [3] o wysokim współczynniku sprawności. Opracowano również niekonwencjonalny algorytm sterownia MPPT (Maximum Power Point Tracking), który następnie zaimplementowano w zrealizowanym procesorowym układzie sterowania, pełniącym również funkcję rozbudowanego układu zabezpieczeń (na poziomie programowym, jak i sprzętowym). Niewątpliwą zaletą przedstawianego systemu alternatywnego zasilania jest możliwość wykorzystania typowych zespołów manewrowych z mechanicznym regulatorem prędkości, co radykalnie ogranicza koszty inwestycji. W skład takiego zespołu wchodzą: turbina wodna (z łopatami o odpowiedniej geometrii), komutatorowy silnik prądu stałego, mechaniczny rezystancyjny regulator prędkości oraz elementy montażowe i przewody łączeniowe z zaciskami. Należy podkreślić, że sama instalacja podzespołów prezentowanego systemu na pokładzie jednostki pływającej nie wymaga specjalistycznej wiedzy i może zostać wykonana samodzielnie przez użytkownika końcowego. Ze względu na ukształtowanie łopat turbiny w celu uzyskania większej sprawności w trybie pracy generatorowej zaleca się jednak obrócenie zespołu manewrowego o 180 stopni względem standardowego sposobu montażu pokazanego na rys. 1.
Budowa oraz algorytm sterowania przekształtnika energoelektronicznego 29 2. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA URZĄDZENIA HPS 01 (HYDROUS POWER SYSTEM) 2.1. Część silnoprądowa systemu Schemat blokowy ilustrujący sposób podłączenia opracowanego w ramach stażu urządzenia HPS 01 do instalacji pokładowej jachtu zaprezentowano na rys. 2. Blok o nazwie (DC/DC BOOST) reprezentuje przekształtnik energoelektroniczny umożliwiający podwyższenie wartości średniej napięcia wyjściowego. Wyboru optymalnej struktury części silnoprądowej dokonano uwzględniając m.in.: zakres zmian napięcia wyjściowego generatora uzależniony od przepływu wody na skutek zmiennej prędkość jednostki pływającej (decydujący o wyborze przetwornicy DC/DC typu boost, buck albo buck-boost), zmiany warunków obciążenia generatora (zakres zmian mocy generowanej, dopuszczalne obciążenie generatora). Podzespoły części silnoprądowej dobrano w taki sposób, aby możliwie zminimalizować straty energii, a tym samym zwiększyć współczynnik sprawności. Rys. 2. Sposób podłączenia urządzenia HPS 01 do silnika manewrowego oraz elementów instalacji pokładowej (akumulatora i odbiorników) Zastosowanie urządzenia HPS 01 nie ogranicza funkcjonalności zespołu manewrowego. Wyboru odpowiedniego trybu pracy dokonano ustawiając przełącznik umieszczony na przedniej ściance urządzenia stanowiącej panel użytkownika (rys. 3). W przypadku wyboru pozycji (SILNIK), zespół manewrowy pracuje zgodnie ze swoim pierwotnym przeznaczeniem. W tym przypadku przekształtnik energoelektroniczny nie uczestniczy w przekazywaniu energii z akumulatora do silnika.
30 Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński Rys. 3. Panel sterownia i kontroli urządzenia HSP 01 Natomiast w przypadku ustawienia przełącznika w pozycji (GENERATOR), następuje aktywacja modułu przekształtnika typu boost. Przekształtnik ten podwyższa wartość średnią napięcia wyjściowego w stosunku do wejściowego. Uproszczony schemat ideowy jego części silnoprądowej w przypadku obciążenia o charakterze rezystancyjnym zaprezentowano na rys. 4. W opisywanej aplikacji funkcję odbiornika spełnia natomiast obowiązkowy akumulator oraz opcjonalne odbiorniki zainstalowane na pokładzie jednostki pływającej. Rys. 4. Schemat ideowy części silnoprądowej przetwornicy DC/DC typu boost Jeżeli prędkość jachtu (prędkość obrotowa turbiny wodnej) osiągnie minimalną wartość wymaganą, to proces ładowania akumulatorów/zasilania odbiorników zostanie rozpoczęty. Silnik manewrowy spełnia w tym trybie funkcję generatora energii elektrycznej, natomiast urządzenie HPS 01 dopasowuje parametry energii do wymagań akumulatora i zasilanych odbiorników z uwzględnieniem maksymalnej wydajności całego systemu m.in. dzięki zaimplementowanemu algorytmowi sterowania MPPT. Kontrola i sterowanie poszczególnymi parametrami odbywają się w sposób automatyczny bez ingerencji użytkownika końcowego, który jednak ma możliwość podglądu wybranych wielkości i stanów układu za pomocą wbudowanego wyświetlacza oraz diody sygnalizującej ładowanie/zasilanie (rys. 3).
Budowa oraz algorytm sterowania przekształtnika energoelektronicznego 31 2.2. Cyfrowy system sterowania i zabezpieczeń Cyfrowy układ sterownia oraz zabezpieczeń zrealizowano na bazie zaprojektowanego i wykonanego systemu procesorowego z wykorzystaniem mikrokontrolera firmy Atmel [4]. W trakcie opracowywania algorytmu sterowania należało uwzględnić wiele czynników. Do najważniejszych można zaliczyć: zamianę przepływu strumienia wody zależnego od prędkości liniowej płynącego jachtu (zmienna prędkość kątowa łopat turbiny wodnej zespołu manewrowego), zakres zmian poboru mocy z generatora elektrycznego przez urządzenia pokładowe oraz doładowywany akumulator, dopuszczalny zakres zmian napięcia wyjściowego generatora oraz przetwornicy DC/DC typu boost, dopuszczalne obciążenie prądowe wybranych komponentów wchodzących w skład przekształtnika i generatora, zabezpieczenie przed przeładowaniem akumulatorów (tryb podtrzymania), wybór optymalnego punktu pracy dla całego systemu. W celu zapewnienia maksymalnej efektywności całego systemu: turbina wodna generator przekształtnik energoelektroniczny akumulator oraz odbiorniki opracowano algorytm MPPT (Maximum Power Point Tracking) [5]. Jego ideę zaprezentowano na Rys. 5. Można w nim wydzielić dwie główne pętle. Pierwsza pętla odpowiedzialna jest za modyfikację współczynnika wypełnienia impulsów (PWM) załączających tranzystor (T) części silnoprądowej przekształtnika boost (Rys. 4). Proces ten odbywa się w określonych odstępach czasu oznaczonych jako (PWM TIME) i jest zależny od drugiej pętli, która to decyduje o kierunku zmian współczynnika wypełnienie o pewną stałą wartość zdefiniowaną jako ( PWM). Zadaniem drugiej pętli algorytmu jest poszukiwanie maksymalnego prądu wyjściowego przekształtnika, a w konsekwencji maksymalnej mocy, jaką można uzyskać przy określonym punkcie pracy systemu. W zależności od wyniku porównania wartości prądu wyjściowego (I out ) dla bieżącego punktu pracy z wcześniej wyznaczoną wartością maksymalną, układ sterowania decyduje o kierunku zmian współczynnika wypełnienia impulsów oraz poszukuje nowego maksimum mocy. Porównanie to jest przeprowadzane z okresem określonym jako (MPPT TIME). W celu minimalizacji prawdopodobieństwa błędnego określenia tendencji zmian prądu wyjściowego (mocy) wprowadzono dodatkowo pewną histerezę ( I). W trakcie implementacji algorytmu prowadzono równolegle badania symulacyjne części silnoprądowej i sterującej. Uwzględniono m.in. opóźnienia wnoszone w tor sterowania przez filtry analogowe, przetworniki analogowocyfrowe oraz algorytmy obliczeniowe [6, 7].
32 Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński Rys. 5. Idea algorytmu MPPT zaimplementowanego w urządzeniu HPS 01 Należy zaznaczyć, że wydajność samej turbiny wodnej zależna jest zarówno od prędkości liniowej jachtu, jak i od prędkości kątowej łopat. Sytuację tę przedstawiono za pomocą przykładowych charakterystyk na rys. 6. Dla danej prędkości liniowej zwodowanego obiektu istnieje taka prędkość kątowa łopat, dla której uzyskiwana moc jest największa. Głównym zadaniem algorytmu przedstawionego na rys. 5 jest właśnie podążanie za punktem pracy odpowiadającym maksymalnej wydajności turbiny. Rys. 6. Przykładowe charakterystyki P( ) dla turbiny wodnej [5]
Budowa oraz algorytm sterowania przekształtnika energoelektronicznego 33 Napięcie wyjściowe przekształtnika będącego głównym podzespołem urządzenia HPS 01 równe jest napięciu na zaciskach podłączonego akumulatora. Nie zakładano możliwości pracy systemu bez akumulatora, który i tak jest wymagany na pokładzie jachtu. 3. PODSUMOWANIE Urządzenie HPS 01 bazujące na przekształtniku energoelektronicznym DC/DC typu boost stanowi główny podzespół prezentowanego systemu, umożliwiającego konwersję energii przepływającej wody na energię elektryczną o pożądanych parametrach. Zaprezentowane rozwiązanie dedykowane jest przede wszystkim dla jednostek jachtowych niewyposażonych w stacjonarny silnik stacjonarny sprzężony z alternatorem. Niewątpliwą zaletą opracowanego urządzenia jest fakt możliwości wykorzystania powszechnie dostępnych na rynku typowych silników manewrowych jako generatora elektrycznego napędzanego turbiną wodną bez konieczności modyfikacji. Adaptacja do pracy generatorowej odbywa się poprzez zainstalowanie opisywanego urządzenia i odpowiedni wybór trybu pracy przez użytkownika końcowego. Zaimplementowanie niekonwencjonalnego algorytmu sterowania pracą przekształtnika oraz cyfrowego systemu zabezpieczeń umożliwia nie tylko bezpieczną eksploatację, ale również uzyskanie możliwe dużej sprawności przy zmiennych warunkach pracy systemu. Przeprowadzone badania w warunkach laboratoryjnych, jak i na zwodowanej jednostce potwierdziły poprawność funkcjonowania urządzenia (wyniki zostaną zaprezentowane w dalszych publikacjach autorów). Mimo rozpoczętego procesu wdrażania na rynek urządzenia, prowadzone są dalsze prace pozwalające rozszerzyć możliwości prezentowanego urządzenia. LITERATURA [1] www.eurotech-jacht.pl/pl/index.php?lang=pl [2] www.iw.org.pl/pl/ [3] Nowak M., Barlik R., Poradnik Inżyniera Energoelektronika, WNT, Warszawa 1998. [4] www.atmel.com/products/microcontrollers/default.aspx?src=parent [5] Gulczyński A., Sterowanie małej elektrowni wiatrowej na maksimum mocy czynnej, Poznan University of Technology Academic Journals 2012, s. 109-116. [6] Kaczorek T., Teoria sterowania i systemów, Warszawa, PWN 1999. [7] Krystkowiak M., Metody modelowania cyfrowych układów sterowania przekształtników energoelektronicznych, MSiZwT 13, Kościelisko, s. 13-16.
34 Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński STRUCTURE AND CONTROL ALGORITHM OF POWER ELECTRONICS CONVERTER IMPLEMENTED IN UNCONVENTIONAL MINI WATER PLANT SYSTEM DEDICATED TO YACHTS In this article the unconventional water power system for yachts was presented. It is based on typical maneuvering engine, which was adapted to work as an electric generator. Additionally power electronics DC/DC converter was used. With aid oh this converter we can match parameters of produced energy. To improve the efficiency the elaborated MMPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm was also implemented.