AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Elektryczny AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ mgr inż. Jarosław Tępiński Układ generatora indukcyjnego z aktywnym kompensatorem przekształtnikowym Promotor Prof. dr hab. inż. Włodzimierz Koczara Promotor pomocniczy Dr inż. Janusz Wiśniewski Warszawa, 2015

Streszczenie Rozprawa skupia się na zagadnieniach kompensacji mocy biernej w małych elektrowniach wodnych z generatorem indukcyjnym. Omówiono kompensację kondensatorową oraz zaproponowano zastąpienie jej przekształtnikowym układem kompensacji mocy biernej. W pracy doktorskiej przedstawiono metodę sterowania aktywnym kompensatorem oraz pokazano wyniki badań komputerowych. Opracowana metoda sterowania została zweryfikowana na stanowiskach laboratoryjnych z silnikami indukcyjnymi o mocach 7,5kW i 60kW. Przekształtnikowa kompensacja mocy biernej zapewnia utrzymanie współczynnika mocy tanφ na zadanej wartości. 3

Spis treści SPIS TREŚCI... 4 1. WSTĘP... 6 1.1. WPROWADZENIE... 6 1.2. CEL PRACY... 7 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM...11 2.1. GENERATOR INDUKCYJNY PRACUJĄCY W ELEKTROWNI WODNEJ...11 2.2. KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ W ELEKTROWNIACH WODNYCH...14 2.3. UKŁAD WYTWARZANIA ENERGII Z KOMPENSATOREM PRZEKSZTAŁTNIKOWYM...18 2.4. UKŁAD STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKIEM NAPIĘCIA CIĄGŁEGO...22 2.5. STEROWANIE MOCĄ AKTYWNEGO KOMPENSATORA...26 2.6. MODEL UKŁADU WYTWARZANIA ENERGII Z KOMPENSATOREM PRZEKSZTAŁTNIKOWYM...36 2.7. ANALIZA JAKOŚCI ENERGII PRZEKSZTAŁTNIKOWEGO KOMPENSATORA MOCY W ZALEŻNOŚCI OD ZASTOSOWANEJ METODY MODULACJI I WARTOŚCI NAPIĘCIA OBWODU POŚREDNICZĄCEGO...39 3. BADANIA LABORATORYJNE...43 3.1 WPROWADZENIE...43 4

SPIS TREŚCI 3.2. BADANIA UKŁADU WYTWARZANIA ENERGII Z GENERATOREM INDUKCYJNYM NISKIEJ MOCY (7,5KW) - W LABORATORIUM BADAWCZYM POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ...44 3.2.1. KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ...48 3.2.2. DOSTARCZENIE ZADANEJ MOCY BIERNEJ DO SIECI...53 3.3. BADANIA UKŁADU WYTWARZANIA ENERGII Z GENERATOREM INDUKCYJNYM ŚREDNIEJ MOCY (60KW) - W LABORATORIUM PRZEMYSŁOWYM...57 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI...67 5. LITERATURA...71 5

Rozdział 1 Wstęp 1.1. Wprowadzenie Najczęściej do produkcji energii elektrycznej w małych i średnich elektrowniach wodnych oraz wiatrowych wykorzystywane są najprostsze układy wytwarzania energii z generatorami indukcyjnymi klatkowymi [J4, Ł1]. Główną przyczyną stosowania generatorów indukcyjnych, w porównaniu z synchronicznymi, jest łatwiejsza synchronizacja z siecią elektroenergetyczną, większa odporność na zakłócenia pochodzące z sieci oraz turbin, prostsze układy zabezpieczeń i niższe ceny. Warunkiem pojawienia się siły elektromotorycznej na zaciskach generatora indukcyjnego jest wytwarzanie w rdzeniu silnika pola magnetycznego, którego głównym źródłem jest moc bierna indukcyjna pobierana z sieci elektroenergetycznej. Turbiny wodne cechują się stosunkowo niską prędkością wirowania i dla tego generator jest napędzany przez przekładnie podwyższające. W celu zmniejszenia wartości przełożenia stosuje się dla turbin wodnych generatory indukcyjne z niską prędkością synchroniczną (dużą liczbą biegunów) [L1, P14], co pociąga za sobą zapotrzebowanie na stosunkowo duży prąd magnesowania (prąd bierny), w odniesieniu do prądu znamionowego. Deficyt mocy biernej indukcyjnej w sieci decyduje o tym, że pobór tej mocy przez generatory indukcyjne należy interpretować jako negatywną cechę, która nie występuje w przypadku generatorów synchronicznych pracujących przy przewzbudzeniu (wytwarzających moc bierną indukcyjną). Głównym sposobem kompensacji mocy biernej w elektrowniach wodnych jest stosowanie baterii kondensatorów przyłączonych równolegle do generatora indukcyjnego [N2, P1, R2, Z1]. Przy doborze baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej należy uwzględnić, że są one źródłem mocy biernej dla generatora indukcyjnego. 6

ROZDZIAŁ 1. WSTĘP Odłączenie generatora wraz z baterią kondensatorów od sieci elektroenergetycznej może spowodować samowzbudzenie generatora [M2, J5, J6]. Zjawisko samowzbudzenia cechuje się utrzymaniem napięcia na zaciskach generatora, pomimo jego odłączenia od sieci. Przy zmniejszaniu kompensacji kondensatorowej, zagrożenie samowzbudzenia w dalszym ciągu występuje czego powodem jest prędkość rozbiegania turbiny po nagłym odłączeniu momentu obciążenia. Operatorzy sieci elektroenergetycznej stawiają przed elektrowniami wodnymi warunki gospodarowania energią bierną [I1, R1, T1]. Ze względu na prymitywną konstrukcje elektrowni wodnej, niesterowaną moc baterii kondensatorów oraz stycznikową metodę załączania pasywnej kompensacji, operatorzy sieci elektroenergetycznej wyrazili zgodę na dopuszczalną wartość współczynnika mocy tanφ 0 = 0,4 [I1, R1, T1]. Pasywna kompensacja mocy biernej ma na celu ograniczenie strat mocy od składowej biernej prądu na impedancjach podzespołów sieci elektroenergetycznej takich jak linie przesyłowe, transformatory itp. Zgrubna (historyczna) kompensacja mocy biernej za pomocą baterii kondensatorowych do poziomu tanφ 0 = 0,4 jest jedynie warunkiem egzystencji elektrowni wodnej. Zgoda na kompensację do dopuszczalnej wartości współczynnika mocy tanφ 0 = 0,4 jest bardzo niekorzystna i wynikająca z dotychczasowego poziomu techniki. 1.2. Cel pracy Główny cel pracy wiąże się z opracowaniem układu wytwarzającego energię elektryczną ze źródeł odnawialnych i pozwalającego na łatwe, masowe wdrożenie. W pracy rozwinięto koncepcję i budowę układu poprawiającego jakość energii i funkcjonowanie elektrowni z generatorami indukcyjnymi klatkowymi. W celu usunięcia podstawowej cechy elektrowni z generatorami indukcyjnymi, jaką jest konieczność pobierania mocy biernej z sieci zasilającej zaproponowano wykorzystanie kompensatora energoelektronicznego [K2, D3, D4, N5, S10, S11, Y1], który może dopasować wartość wytwarzanej mocy biernej w zależności od aktualnego zapotrzebowania. Kompensator energoelektroniczny mocy biernej w dalszej części rozprawy będzie także nazywany kompensatorem przekształtnikowym, aktywnym kompensatorem lub kompensatorem (K). Autor podjął w pracy problem projektu kompensatora energoelektronicznego, który ma za zadanie wytworzenie dokładnie tyle mocy biernej indukcyjnej, ile w danej chwili niezbędne jest do uzyskania pełnej kompensacji mocy biernej generatora. Kompensator aktywny jest źródłem mocy biernej dla generatora indukcyjnego. Rozprawa ma charakter poznawczy i zawiera 7

ROZDZIAŁ 1. WSTĘP analizę współpracy przekształtnikowych kompensatorów mocy z układami wytwarzania energii zawierającymi generatory indukcyjne klatkowe. Opracowane zostały strategie i struktury sterowania dla kompensatorów energoelektronicznych o impulsowym napięciu wyjściowym (KI - kompensator z indukcyjnym obwodem wyjściowym) oraz o sinusoidalnym napięciu wyjściowym (kompensator z obwodem wyjściowym typu LCL). Kompensatory o sinusoidalnym (ciągłym) napięciu wyjściowym opracowane zostały w dwóch typach (KC, HKC), pomiędzy którymi różnica polega na zastosowaniu obwodów filtrów dolnoprzepustowych przekształtnika z kondensatorami o różnych przedziałach wartości pojemności. Kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (KC) to przekształtnik o ciągłym napięciu wyjściowym z kondensatorami filtrującymi. Do dalszych rozważań przyjęto, że kondensatory filtrujące obwodu filtru dolnoprzepustowego są kondensatorami, których moc bierna jest dużo mniejsza niż wartość mocy biernej pobieranej przez generator indukcyjny. Kondensatory filtrujące przystosowane są do wysokich częstotliwości i ich działanie ogranicza się do filtracji wyższych harmonicznych. Hybrydowy kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (HKC) to przekształtnik o ciągłym napięciu wyjściowym z kondensatorami energetycznymi. Do dalszych rozważań przyjęto, że kondensatory energetyczne obwodu filtru dolnoprzepustowego są kondensatorami, których moc bierna ma wartość bliską wartości mocy biernej pobieranej przez generator indukcyjny. Kondensatory energetyczne przystosowane są do niskich częstotliwości i posiadają większy współczynnik tłumienia wyższych harmonicznych niż kondensatory filtrujące. Kondensatory energetyczne pełnią rolę filtru wyższych harmonicznych i w sytuacji wyłączenia przekształtnika kompensatora aktywnego zapewniają wymagany przez operatorów sieci współczynnik mocy tanφ 0,4. Opracowane przez autora aktywne kompensatory mocy biernej dedykowane będą do zastąpienia stosowanych dotychczas baterii kondensatorów a dzięki przyłączeniu równolegle do generatora, będą mogły być łatwo instalowane w istniejących obiektach. Ponadto powinny mieć możliwość uzupełniania stosowanej dotychczas kompensacji kondensatorowej, tworząc z bateriami kondensatorowymi kompensatory hybrydowe. Rozprawa przedstawia analizę pracy układu wytwarzania energii generatorem indukcyjnym klatkowym z układem regulacji mocy biernej kompensatorowym w następujących przypadkach: - przekształtnikowy kompensator o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) 8

ROZDZIAŁ 1. WSTĘP - przekształtnikowy kompensator o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) z baterią kondensatorów filtrujących (niewielkiej mocy w porównaniu z mocą bierną kompensowaną przez kompensator aktywny (KI)) - przekształtnikowy kompensator o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) z pasywną kompensacją kondensatorową - przekształtnikowy kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (KC) - przekształtnikowy kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (KC) z pasywną kompensacją kondensatorową - hybrydowy kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (HKC) Współpraca przekształtnikowego kompensatora o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) oraz kompensatora energoelektronicznego o ciągłym napięciu wyjściowym (KC) z pasywną kompensacją kondensatorową przeanalizowano przy pracy generatora indukcyjnego w warunkach znamionowych dla pojemności baterii kondensatorów: - minimalnej zapewniającej wymagany przez operatorów sieci elektroenergetycznej współczynnik mocy tanφ 0,4 - maksymalnej nie powodującej zjawiska samowzbudzenia generatora indukcyjnego Dziedzina kompensacji mocy biernej została rozwinięta i uzupełniona przez zastosowanie kompensatora hybrydowego mocy biernej i hybrydowego kompensatora o ciągłym napięciu wyjściowym (HKC). Na podstawie opracowanych modeli komputerowych w programie PSIM przeprowadzono analizy pracy układów wytwarzania energii z kompensatorami przekształtnikowymi oraz hybrydowymi. Zadaniem autora jest dobór parametrów i analiza jakość energii przekształtnikowych kompensatorów mocy w zależności od zastosowanej metody modulacji i wartości napięcia obwodu pośredniczącego. Pozytywne wyniki badań komputerowych pozwalają na przeprowadzenie weryfikacji pracy układu wytwarzania energii z kompensatorem energoelektronicznym za pomocą badań laboratoryjnych. Celem rozprawy jest projekt, budowa i badania laboratoryjnych stanowisk układów wytwarzania energii z kompensatorami przekształtnikowymi o impulsowym napięciu wyjściowym. Opracowane, zaprojektowane i zbudowane zostały dwa niezależne stanowiska badawcze układów wytwarzania energii z generatorami indukcyjnymi: - układ przekształtnikowy z zespołem elektromaszynowym małej mocy o obniżonym napięciu zasilania do przeprowadzenia badań na terenie Politechniki Warszawskiej 9

ROZDZIAŁ 1. WSTĘP - układ przekształtnikowy do współpracy ze spalinowym zespołem prądotwórczym o mocy 60kW do przeprowadzenia badań w laboratorium przemysłowym firmy Horus-Energia Prace projektowe, konstrukcyjne, badania komputerowe oraz zasadnicze badania laboratoryjne przeprowadzono w laboratorium badawczym Politechniki Warszawskiej. Końcowe weryfikacje laboratoryjne zostały przeprowadzone na terenie przemysłowym firmy Horus-Energia Sp.z.o.o. Budowa układu wytwarzania energii ze spalinowym zespołem prądotwórczym ma na celu weryfikację pracy kompensatora przekształtnikowego dla mocy generatora indukcyjnego (60kW) zbliżonej do mocy małych elektrowni wodnych. Kolejnym celem rozprawy jest opracowanie przez autora układu wytwarzania energii z generatorem indukcyjnym, który dzięki zastosowaniu przekształtnika energoelektronicznego zapewnia dostarczenie mocy czynnej wytwarzanej przez generator i zadanej mocy biernej do sieci. Kompensator energoelektroniczny dzięki możliwości płynnej i nadążnej regulacji wytwarzanej mocy biernej, zapewnia pracę układu wytwarzania energii z zachowaniem stałego, zadanego współczynnika mocy. Wytwarzana przez kompensator energoelektroniczny moc bierna indukcyjna ogranicza deficyt na moc bierną indukcyjną w sieci elektroenergetycznej. Układ taki pracuje pod względem produkowanej mocy analogicznie do generatorów synchronicznych pracujących przy przewzbudzeniu (wytwarzających moc bierną indukcyjną). Celem autora jest projekt, budowa i badania układu wytwarzania energii dostarczającego moc czynną wytwarzaną przez generator indukcyjny i zadaną moc bierną do sieci. Praca układu została przeanalizowana dzięki zastosowaniu modelu komputerowego oraz stanowiska laboratoryjnego. Do budowy przekształtnikowych kompensatorów mocy biernej zastosowano trójpoziomowe przekształtniki z diodami poziomującymi połączonymi z punktem neutralnym (ang. Neutral Point Clamped - NPC). Dzięki zastosowaniu przekształtników trójpoziomowych uzyskano mniejszą zawartość harmonicznych napięcia wyjściowego przekształtnika niż w przypadku topologii dwupoziomowych [A11]. Niedogodnością przekształtników o topologii NPC jest nierównomierne rozłożenie napięć na kondensatorach napięcia stałego [H8, P15, S12]. W rozprawie opracowano i przeanalizowano alternatywny układ wyrównywania napięć na kondensatorach obwodu pośredniczącego trójpoziomowego przekształtnika NPC. Praca układu wyrównywania napięć została przeanalizowana dzięki zastosowaniu modelu komputerowego zbudowanego w programie PSIM. 10

Rozdział 2 Kompensatory mocy biernej dla elektrowni wodnej z generatorem indukcyjnym 2.1. Generator indukcyjny pracujący w elektrowni wodnej W małych elektrowniach wodnych (MEW) do produkcji energii elektrycznej najczęściej wykorzystywane są generatory indukcyjne. Główną przyczyną ich stosowania jest brak konieczności synchronizacji przy załączaniu do sieci elektroenergetycznej, prosty układ zabezpieczeń oraz niska cena. Silnik indukcyjny przyłączony do sieci elektroenergetycznej i napędzany za pomocą turbiny wodnej z prędkością większą od jego prędkości synchronicznej, zachowuje się jak prądnica i wytwarza energię czynną. Wzrost momentu na wale generatora powoduje zwiększenie bezwzględnej wartości poślizgu, któremu towarzyszy wzrost prądu w wirniku i co za tym idzie mocy czynnej przekazywanej do sieci. Warunkiem pojawienia się siły elektromotorycznej na zaciskach generatora indukcyjnego jest wytworzenie w rdzeniu silnika pola magnetycznego, którego głównym źródłem jest moc bierna pobierana z sieci elektroenergetycznej. Model matematyczny generatora indukcyjnego klatkowego, w którym wszystkie wielkości zostały sprowadzone do obwodu stojana przedstawiono na Rys. 2.1.1. Prąd stojana generatora jest równy różnicy prądów magnesowania i wirnika [S13]: I G = I M I W (2.1.1) gdzie: I G I W ' I M - wektor przestrzenny prądu stojana - wektor przestrzenny prądu wirnika - wektor przestrzenny prądu magnesowania 11

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM R G X Gσ I G I W X Wσ R W s I M U G X M I M = I G + I W Rys. 2.1.1. Schemat modelu matematycznego generatora indukcyjnego klatkowego; U G - wektor przestrzenny napięcia stojana, R G - rezystancja stojana, R W ' - rezystancja wirnika, X Gσ - reaktancja stojana, X Wσ ' - reaktancja wirnika, X M reaktancja magnesowania, I G - wektor przestrzenny prądu stojana, I W ' - wektor przestrzenny prądu wirnika, I M - wektor przestrzenny prądu magnesowania, s - poślizg Do dalszych rozważaniach przyjęto orientację prądów względem napięcia sieci elektroenergetycznej (SEE). Jako składową czynną prądu należy rozumieć składową będącą w fazie z napięciem sieci. Składowa bierna prądu to składowa przesunięta względem napięcia sieci o 90 stopni elektrycznych. Wyznaczenie składowej czynnej i biernej prądu polega na transformacji wielkości trójfazowych do wirującego układu współrzędnych xy. Napięcie sieci równe jest napięciu stojana generatora i we współrzędnych wirujących xy dane jest wzorami: U S = u Sx + ju Sy (2.1.2) gdzie: u Sx = u 2 2 Sα + u Sβ (2.1.3) u Sy = 0 (2.1.4) U S - wektor przestrzenny napięcia sieci elektroenergetycznej u Sx, u Sy - wartości napięcia sieci elektroenergetycznej w układzie współrzędnych xy u Sα, u Sβ - wartości napięcia sieci elektroenergetycznej w układzie współrzędnych αβ W przekształceniu układów współrzędnych wykorzystywany jest kąt położenia γ S (2.1.5) wektora przestrzennego napięcia sieci U S. Kąt γ S jest niezbędny do przekształcenia zmierzonych prądów do tego samego wirującego układu współrzędnych xy. 12

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM γ S = tan 1 ( U Sβ U Sα ) (2.1.5) W stanie jałowym silnika indukcyjnego, składowa bierna indukcyjna i Gy prądu pobieranego z sieci jest praktycznie równa pobieranemu z sieci prądowi magnesowania silnika I M (Rys. 2.1.2). Wektor przestrzenny prądu silnika indukcyjnego I G (pracującego w stanie jałowym) posiada składową czynną i Gx pobieraną z sieci i indukcyjną składową bierną i Gy pobieraną z sieci. y ω i Gx U S x i Gy I M I W I G =I S Rys. 2.1.2. Wykres wektorowy prądów silnika indukcyjnego pracującego w stanie jałowym; U S - wektor przestrzenny napięcia sieci elektroenergetycznej, I S - wektor przestrzenny prądu pobieranego z sieci elektroenergetycznej, i Gx - składowa czynna prądu stojana, i Gy - składowa bierna prądu stojana Moc bierna pobierana z sieci elektroenergetycznej (SEE) przez generator indukcyjny (GI), zależy od momentu dostarczanego przez turbinę wodną (TW). Wektor przestrzenny prądu obciążonego generatora I G posiada składową czynną i Gx oddawaną do sieci i indukcyjną składową bierną i Gy pobieraną z sieci (Rys. 2.1.3). Wzrost momentu obciążenia generatora powoduje powiększenie składowej biernej prądu stojana i Gy. Wektor przestrzenny prądu obciążonego generatora I G przesunięty jest względem wektora przestrzennego napięcia sieci elektroenergetycznej U S o kąt φ ig. Wektor przestrzenny prądu stojana maszyny indukcyjnej I G jest równy wektorowi przestrzennemu prądu pobieranego z sieci I S. 13

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM a) b) y ω i G =i S u, i u S i Gx φ ig I G =I S I W I M U S x y=-sinx, x [0,2π] y=-sinx, x [0,2π] ωt i Gy φ ig Rys. 2.1.3. Prądy i napięcie obciążonego generatora (GI): a). wykres wektorowy; b). przebiegi czasowe; φ ig - kąt przesunięcia fazowego prądu stojana generatora względem napięcia sieci 2.2. Kompensacja mocy biernej w elektrowniach wodnych Głównym sposobem kompensacji mocy biernej w elektrowniach wodnych jest zastosowanie baterii kondensatorów przyłączonych równolegle do generatora indukcyjnego (Rys. 2.2.1) [N2, P1, R2, Z1]. (TW) Turbina Wodna (GI) Generator Indukcyjny (SEE) Sieć Elektroenergetyczna Wał I G I S n I B (B) Bateria Kondensatorów Rys. 2.2.1. Elektrownia z generatorem indukcyjnym oraz pasywną kompensacją mocy biernej; (B) - bateria kondensatorów, I B - wektor przestrzenny prądu pobieranego przez baterię kondensatorów Bez kompensacji mocy biernej generator indukcyjny (GI) pobiera z sieci elektroenergetycznej prąd I S równy prądowi stojana generatora I G (Rys. 2.1.3). Wektor prądu 14

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM generatora przesunięty względem napięcia sieci o kąt φ ig posiada składową czynną i Gx i bierną indukcyjną i Gy. Zasadę kompensacji mocy biernej za pomocą pasywnego kondensatorowego kompensatora przedstawiono na Rys. 2.2.2. Pasywny kondensatorowy kompensator jest źródłem mocy biernej pojemnościowej i pobiera z sieci prąd I B przesunięty względem napięcia o kąt φ ib = 90º. Prąd baterii kondensatorów I B zmniejsza składową bierną (indukcyjną) prądu pobieranego z sieci i Sy. Zastosowanie baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej powoduje zmianę przesunięcia fazowego między prądem I S i napięciem U S z φ ig do φ is. a) b) y ω i G u, i i S i B u S I B φ is φ ig I S I M U S x ωt I B I G I W φ is φ ig φ ib Rys. 2.2.2. Kompensacja mocy biernej za pomocą baterii kondensatorów: a). wykres wektorowy; b). przebiegi czasowe; φ ib - kąt przesunięcia fazowego prądu pobieranego przez baterię kondensatorów względem napięcia, φ is - kąt przesunięcia fazowego prądu pobieranego z sieci względem napięcia sieci daną wzorem: Trójfazowa bateria kondensatorów połączonych w trójkąt kompensuje moc bierną gdzie: Q BΔ = 3 U 2 Sp ω C B (2.2.1) Q BΔ U Sp C B - moc bierna baterii kondensatorów połączonych w trójkąt - wartość skuteczna napięcia przewodowego sieci elektroenergetycznej - pojemność kondensatora trójfazowej baterii kondensatorów 15

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Przy doborze kondensatorów do kompensacji mocy biernej trzeba pamiętać, że są one źródłem mocy biernej dla generatora indukcyjnego. Odłączenie generatora (GI) wraz z baterią kondensatorów od sieci elektroenergetycznej może spowodować samowzbudzenie generatora [M2, J5, J6]. Zjawisko samowzbudzenia cechuje się utrzymaniem napięcia na zaciskach generatora, pomimo jego odłączenia od sieci. Zaleca się by moc baterii kondensatorów przyłączonych do generatora nie przekraczała Q B : gdzie: Q B Q GO ( n g n r ) 2 (2.2.2) Q B - moc bierna baterii kondensatorów dla częstotliwości 50Hz Q GO - moc bierna pobierana przez generator (GI) na biegu jałowym (n = n s ) n g n r - prędkość obrotowa generatora wytwarzającego moc czynną równą co do wartości mocy znamionowej - prędkość obrotowa rozbiegowa generatora Turbina wodna przystosowana jest do pracy z siecią elektroenergetyczną i nie posiada regulatora, który pozwalałby na utrzymanie jej stałej prędkości przy różnych obciążeniach. Prędkość wirnika generatora indukcyjnego w elektrowni wodnej jest równa prędkości synchronicznej powiększonej o poślizg. Prędkość generatora jest wynikiem równowagi, pomiędzy mocą dostarczoną na wale przez turbinę a mocą, którą przekazuje generator do sieci. Generator bez obciążenia może osiągnąć maksymalną prędkość nazywaną prędkością rozbiegową, która zależy od charakterystyki turbiny wodnej. Prędkość rozbiegowa wynosi 1,6-2,0 dla turbin Francisa i 2,5-3,0 krotności prędkości znamionowej, dla turbin Kaplana i śmigłowych [J4, Ł1]. Przy zmniejszaniu poziomu kompensacji (2.2.2), zagrożenie samowzbudzenia w dalszym ciągu występuje czego powodem jest prędkość rozbiegania turbiny po nagłym odłączeniu momentu obciążenia. Ograniczenie prędkości rozbiegowej turbozespołu daje możliwość zastosowania większych pojemności kondensatorów baterii (B) nie wywołujących zjawiska samowzbudzenia generatora. Operatorzy sieci elektroenergetycznej stawiają przed elektrowniami wodnymi warunki gospodarowania energią bierną [I1, R1, T1]. W tym celu określa się współczynnik mocy tanφ rozumiany jako stosunek mocy biernej pobieranej przez generator Q do mocy czynnej przez niego oddawanej P. Współczynnik mocy tanφ dany jest wzorem: tan φ = Q P (2.2.3) 16

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Dzięki kompensacji mocy biernej w elektrowniach wodnych za pomocą baterii kondensatorów przyłączonych równolegle do generatora indukcyjnego (Rys. 2.2.1) dąży się do minimalizacji tanφ. Pasywna kompensacja mocy biernej ma na celu ograniczenie strat mocy od składowej biernej prądu na impedancjach podzespołów sieci elektroenergetycznej takich jak linie przesyłowe, transformatory itp. Ze względu na prymitywną konstrukcję elektrowni wodnej, niesterowaną moc baterii kondensatorów oraz stycznikową metodę załączania pasywnej kompensacji, operatorzy sieci elektroenergetycznej wyrazili zgodę na dopuszczalną wartość współczynnika mocy tanφ 0 = 0,4 [I1, R1, T1]. Ponadumowny pobór energii biernej to taki, w którym współczynnik mocy tanφ jest wyższy od umownego współczynnika tanφ 0 (niedokompensowanie) i stanowi nadwyżkę energii biernej indukcyjnej ponad ilość odpowiadającą wartości współczynnika tanφ 0 lub pojemnościowemu współczynnikowi mocy (przekompensowanie). Przyłączenie baterii kondensatorów o mocy zbliżonej do mocy pobieranej przez generator na biegu jałowym, pozwala zachować tanφ 0,4 praktycznie w całym zakresie jego obciążenia. Zgrubna (historyczna) kompensacja mocy biernej za pomocą baterii kondensatorów do poziomu tanφ 0 = 0,4 jest jedynie warunkiem egzystencji elektrowni wodnej. Zgoda na kompensację do dopuszczalnej wartości współczynnika mocy tanφ 0 = 0,4 jest bardzo niekorzystna gdyż straty od mocy biernej są wydatne. Przy doborze pojemności baterii kondensatorów należy uwzględnić granicę bezpieczeństwa, dla której nie dochodzi do samowzbudzenia generatora (GI). Do badań laboratoryjnych i symulacyjnych wykorzystano silnik indukcyjny klatkowy zaprojektowany na obniżone napięcie 3 x 220V, którego parametry przedstawiono w Tabeli 7.2.1. Silnik indukcyjny przyłączony do sieci elektroenergetycznej i napędzany za pomocą turbiny wodnej z prędkością większą od jego prędkości synchronicznej, zachowuje się jak prądnica i wytwarza energię czynną. Generator indukcyjny o mocy pozornej 9,195kVA produkuje moc czynną 7,5kW i pobiera 5,32kVar mocy biernej. Współczynnik mocy tanφ generatora wynosi 0,71 i jest większy niż dopuszczalna wartość określona przez operatorów sieci (tanφ 0,4). Minimalna moc bierna, dla której spełniony jest warunek stawiany elektrowniom wodnym przez operatorów sieci (tanφ 0,4) wynosi dla powyższego przypadku 3kVar (56,4% mocy biernej pobieranej przez generator). Stosując pasywną kompensację mocy biernej generatora indukcyjnego należy pamiętać że kondensatory C B są źródłem mocy biernej. Moc bierna zgromadzona w baterii kondensatorów Q B może spowodować zjawisko samowzbudzenia. Wartość mocy baterii kondensatorów 17

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Q B, która nie spowoduje wystąpienia zjawiska samowzbudzenia generatora indukcyjnego zależna jest od prędkości rozbiegowej turbozespołu n r zgodnie z zależnością (2.2.2). W celu ograniczenia prędkości rozbiegowej turbiny a i tym samym generatora (GI) stosuje się zabezpieczenia rozbiegowe lub częstotliwościowe o wartościach od n r = 1,05 n g do n r = 1,15 n g. W rozważanym przypadku maksymalną moc baterii kondensatorów Q B, która nie powoduje samowzbudzenia generatora (GI) wyznaczono dla prędkości rozbiegowej ograniczonej do n r = 1,05 n g zgodnie z zależnością (7.5.2). Maksymalna moc baterii kondensatorów nie powodującą samowzbudzenia generatora wynosi dla powyższych założeń Q B = 2,857kVar. Współczynnik mocy tanφ generatora indukcyjnego z przyłączoną baterią kondensatorów wynosi 0,328. Moc bierna indukcyjna pobierana z sieci przez generator (GI) z baterią kondensatorów (Q B = 2,857kVar) wynosi 2,463kVar (46,3% mocy biernej pobieranej przez generator) i nie może być obniżona poniżej tego poziomu ze względu na zjawisko samowzbudzenia generatora. Przyjmuje się że bateria kondensatorów (B) powinna posiadać pojemności zapewniające kompensację mocy biernej do poziomu tanφ z przedziału od 0,328 do 0,4 dzięki czemu spełnia wymagania stawiane przez operatorów sieci i nie powoduje samowzbudzenia generatora (GI). Stosowanie baterii kondensatorów jest tylko częściowym rozwiązaniem problemu kompensacji mocy biernej. 2.3. Układ wytwarzania energii z kompensatorem przekształtnikowym Moc bierną pobieraną z sieci elektroenergetycznej przez generator indukcyjny (GI) można kompensować stosując kompensator przekształtnikowy [G2, K2, T5, T6, P18, P19]. Główny cel stawiany przed kompensatorem przekształtnikowym to zmniejszenie współczynnika mocy tanφ (2.2.3) do wartości bliskiej lub równej zero oraz przeciwdziałanie zjawisku samowzbudzenia. Aktywną kompensację mocy biernej zrealizowano w topologii równoległej, w której przekształtnik kompensujący przyłączony jest równolegle do generatora indukcyjnego. Układ wytwarzania energii z kompensatorem przekształtnikowym przedstawiono na Rys. 2.3.1. W rozprawie w celu skrócenia opisów przyjęto, że pod pojęciem układu wytwarzania energii rozumiany jest układ, w którym energia elektryczna przetwarzana przez generator indukcyjny z energii mechanicznej (dostarczanej z turbiny wodnej) przekazywana jest do sieci elektroenergetycznej. Aktywny kompensator (K) ma za zadanie wytworzyć i regulować moc 18

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM tak, by była to moc bierna pojemnościowa. Prąd kompensatora I K zmniejsza składową bierną (indukcyjną) prądu pobieranego z sieci i Sy do wartości bliskiej lub równej zero. (TW) Turbina Wodna (GI) Generator Indukcyjny (SEE) Sieć Elektroenergetyczna Wał I G I S n I K (K) Kompensator Aktywny Rys. 2.3.1. Układ wytwarzania energii z kompensatorem przekształtnikowym Zasadę kompensacji mocy biernej za pomocą równoległego kompensatora aktywnego przedstawiono na Rys. 2.3.2. Zastosowanie kompensacji aktywnej powoduje zmniejszenie przesunięcia fazowego prądu I S względem napięcia U S z wartości φ ig do φ is równej 180º. Prąd I S posiada jedynie składową czynną oddawaną do sieci elektroenergetycznej, co odpowiada całkowitej kompensacji mocy biernej. a) b) y ω ig u, i i S i K u S I K I S φi S φi G I M U S x ωt I K I G I W φi S φi G φi K Rys. 2.3.2. Kompensacja mocy biernej za pomocą równoległego kompensatora aktywnego: a). wykres wektorowy; b). przebiegi czasowe; I K - wektor przestrzenny prądu pobieranego przez aktywny kompensator, φ ik - kąt przesunięcia fazowego prądu pobieranego przez aktywny kompensator względem napięcia sieci 19

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Prąd pobierany z sieci elektroenergetycznej i S przez kompensator energoelektroniczny i generator indukcyjny powinien być sinusoidalny. i S = i K + i G = i S1 sin ωt (2.3.1) Prąd impulsowy pobierany z sieci wytwarza na indukcyjnościach L S zmiany napięcia, które powodują powstanie zakłóceń w napięciu sieci. u LS = L S di S dt (2.3.2) Aktywny kompensator mocy biernej (K) składa się z trójpoziomowego przekształtnika energoelektronicznego, obwodu napięcia stałego (DC) oraz obwodu wyjściowego (OW) (Rys. 2.3.3, Rys. 2.3.4, Rys. 2.3.5). Obwodem wyjściowym dla przekształtnika napięciowego równolegle połączonego do sieci (SEE) są dławiki L K. W niniejszej pracy przeanalizowano trzy typy aktywnych kompensatorów. Aktywny kompensator o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) zbudowany jest z wykorzystaniem przekształtnika o impulsowym napięciu wyjściowym (PNI) (Rys. 2.3.3). Aktywny kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (KC) i hybrydowy kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (HKC) wykorzystują przekształtniki o ciągłym napięciu wyjściowym (PNC). Różnica pomiędzy kompensatorami (KC) i (HKC) polega na zastosowaniu obwodów filtru dolnoprzepustowego przekształtnika (OFD) z kondensatorami C F o różnych przedziałach wartości pojemności. Kompensator (KC) składa się z przekształtnika o ciągłym napięciu wyjściowym z kondensatorami filtrującymi (PNCF) (Rys. 2.3.4). Do dalszych rozważań przyjęto że kondensatory filtrujące obwodu filtru dolnoprzepustowego są kondensatorami, których moc bierna jest dużo mniejsza niż wartość mocy biernej pobieranej przez generator (GI). Kondensator filtrujący C FF przystosowany jest do wysokich częstotliwości a jego działanie ogranicza się do filtracji wyższych harmonicznych. Kompensator (HKC) składa się z przekształtnika o ciągłym napięciu wyjściowym z kondensatorami energetycznymi (PNCE) (Rys. 2.3.5). Do dalszych rozważań przyjęto że kondensatory energetyczne obwodu filtru dolnoprzepustowego są kondensatorami, których moc bierna ma wartość bliską wartości mocy biernej pobieranej przez generator. Kondensator energetyczny C FE przystosowany jest do niskich częstotliwości i posiada większy współczynnik tłumienia wyższych harmonicznych niż kondensator filtrujący C FF. Kondensator C FE pełni rolę filtru wyższych harmonicznych, pobiera moc bierną i w sytuacji wyłączenia przekształtnika kompensatora aktywnego zapewnia wymagany przez operatorów sieci współczynnik mocy tanφ 0,4 (rozdz. 2.2). 20

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Tr a1 Tr b1 Tr c1 C G Tr a2 Tr b2 Tr c2 L Ka L Kb A B C D Tr a3 Tr b3 Tr c3 L Kc C Tr a4 Tr b4 Tr c4 Obwód Napięcia Stałego (DC) Przekształtnik (PNI) Kompensator Aktywny (KI) Obwód Wyjściowy (OW) Rys. 2.3.3. Kompensator o impulsowym napięciu wyjściowym (KI); (OW) - obwód wyjściowy, (DC) - obwód napięcia stałego, (PNI) - trójpoziomowy przekształtnik NPC o impulsowym napięciu wyjściowym, Tr a1 Tr c4 - tranzystory przekształtnika trójpoziomowego, C D - pojemność dolnego kondensatora obwodu pośredniczącego, C G - pojemność górnego kondensatora obwodu pośredniczącego Przekształtnik energoelektroniczny wykonany jest w topologii trójpoziomowej z diodami poziomującymi połączonymi z punktem neutralnym (ang. Neutral Point Clamped - NPC) [I2, K3, K7, R4, S2, W3]. Przekształtnik NPC charakteryzuje się trzema poziomami napięć przewodowych i pięcioma poziomami napięć fazowych. Przyczyną stosowania tej topologii przekształtnika jest mniejsza zawartość harmonicznych napięcia wyjściowego, niż w przypadku topologii dwupoziomowej. Trójpoziomowy przekształtnik w odróżnieniu od dwupoziomowego cechuje się bardziej złożonym układem sterowania, ale można dzięki niemu zastosować mniejsze filtry wyjściowe przy zachowaniu zadanej jakości prądu. C G C D Obwód Napięcia Stałego (DC) Tr a1 Tr b1 Tr c1 Tr a2 Tr b2 Tr c2 Tr a3 Tr b3 Tr c3 Tr a4 Tr b4 Tr c4 Przekształtnik (PNCF) Kompensator Aktywny (KC) Obwód Filtru Dolnoprzepustowego (OFDF) L FFa L FFb L FFc C FFa C FFb C FFc L KFa L KFb L KFc A B C Obwód Wyjściowy (OW) Rys. 2.3.4. Kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (KC); (OW) - obwód wyjściowy, (DC) - obwód napięcia stałego, (PNCF) - trójpoziomowy przekształtnik NPC o ciągłym napięciu wyjściowym z kondensatorami filtrującymi, (OFDF) obwód filtru dolnoprzepustowego typu LC z kondensatorami filtrującymi, Tr a1 Tr c4 - tranzystory przekształtnika trójpoziomowego, C D - pojemność dolnego kondensatora obwodu pośredniczącego, C G - pojemność górnego kondensatora obwodu pośredniczącego 21

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM CG Tra1 Trb1 Trc1 Tra2 Trb2 Trc2 Obwód Filtru Dolnoprzepustowego (OFDE) LFEa LKEa LFEb LKEb LFEc LKEc A B Tra3 CD Trb3 Trc3 C CFEa CFEb CFEc Tra4 Trb4 Obwód Napięcia Stałego (DC) Trc4 Obwód Wyjściowy (OW) Przekształtnik (PNCE) Kompensator Aktywny (HKC) Rys. 2.3.5. Hybrydowy kompensator o ciągłym napięciu wyjściowym (KC); (OW) - obwód wyjściowy, (DC) obwód napięcia stałego, (PNCE) - trójpoziomowy przekształtnik NPC o ciągłym napięciu wyjściowym z kondensatorami energetycznymi, (OFDE) obwód filtru dolnoprzepustowego typu LC z kondensatorami energetycznymi, Tra1 Trc4 - tranzystory przekształtnika trójpoziomowego, CD - pojemność dolnego kondensatora obwodu pośredniczącego, CG - pojemność górnego kondensatora obwodu pośredniczącego 2.4. Układ sterowania przekształtnikiem napięcia ciągłego Przekształtnik napięcia ciągłego i sieć elektroenergetyczna tworzą układ dwóch trójfazowych źródeł napięć sinusoidalnych połączonych ze sobą za pomocą obwodu wyjściowego (OW). Trójpoziomowy przekształtnik (NPC) z obwodem filtru dolnoprzepustowego typu LC (OFD) wytwarza napięcie ucf o założonych parametrach amplitudy i fazy. Pod wpływem różnicy napięć pomiędzy siecią us i przekształtnikiem ucf powstaje spadek napięcia na dławiku wyjściowym LK (2.4.1). Wynikiem tego spadku jest prąd ik pobierany z sieci przez przekształtnik. Prąd ik płynący w obwodzie wyjściowym posiada amplitudę i fazę zależną od napięcia ulk oraz parametrów dławika. 𝐿𝐾 𝑑𝑖𝐾 𝑑𝑡 = 𝑢𝑆 𝑢𝐶𝐹 (2.4.1) Wykorzystując definicję wektora przestrzennego, napięcia i prądy przekształtnika o sinusoidalnym napięciu wyjściowym zostały przetransformowane do postaci wektorów przestrzennych w wirującym z pulsacją ω układzie odniesienia xy. Przekształtnik został zsynchronizowany względem wektora przestrzennego napięcia sieci, który posiada kąt położenia γs (2.1.5). Układ przekształtnika przyłączonego do sieci z uwzględnieniem wektorów przestrzennych napięć i prądów przedstawiono na Rys. 2.4.1. 22

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Obwód Wyjściowy (OW) Obwód Filtru Dolnoprzepustowego Typu LC (OFD) R K L K I K R F L F I F I CF U RK U LK U RF U LF U S U CF C F U PM Rys. 2.4.1. Schemat zastępczy przekształtnika przyłączonego do sieci z uwzględnieniem wektorów przestrzennych napięć i prądów; I CF - wektor przestrzenny prądu na kondensatorze filtru LC przekształtnika, U RK - wektor przestrzenny napięcia na rezystancji dławika filtru wyjściowego, U RF - wektor przestrzenny napięcia na rezystancji dławika filtru LC przekształtnika, U LF - wektor przestrzenny napięcia na dławiku filtru LC przekształtnika Obwód wyjściowy (OW) o charakterze indukcyjnym umożliwia przepływ prądu I K przesuniętego o kąt z przedziału (0º 360º) względem wektora przestrzennego napięcia sieci U S. Zapewnienie różnicy pomiędzy składowymi czynnymi wektorów przestrzennych napięć U S i U CF powoduje przepływ składowej biernej i Ky prądu kompensatora. Zwrot składowej czynnej wektora napięcia u LKx na indukcyjnościach obwodu wyjściowego wpływa na zwrot i wartość składowej biernej i Ky prądu kompensatora. Zmiana fazy prądu I K powoduje zmianę fazy prądu I F na indukcyjności filtru L F. i CFx i CFy = i Kx i Ky + i Fx i Fy (2.4.2) Wielkości tych zmian zależą również od prądu na kondensatorze filtru C F, który jest zależny od zmian napięcia u CF oraz pojemności kondensatora. i CFx i CFy = C F d dt u CFx u CFy + ωc F u CFy u CFx (2.4.3) Prąd I CF wyprzedza napięcie U CF o kąt φ icf 90º. Niewielkie zmiany amplitudy napięcia przekształtnika U CF mogą pociągnąć za sobą znaczne zmiany amplitudy i fazy prądu I F. Dla zobrazowania zadań stawianych przed układem sterowania przekształtnikiem o ciągłym napięciu wyjściowym, sporządzono przykładowy wykres wektorowy (Rys. 2.4.2). 23

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Zadaniem przekształtnika z obwodem filtru dolnoprzepustowego typu LC (Rys. 2.4.1) jest wytworzenie napięcia sinusoidalnego u CF, które wywołuje założony przepływ mocy. y I K ω I CF U S U LK U CF U RK x I F U PM U RF U LF Rys. 2.4.2. Wykres wektorowy pracy przekształtnika napięcia ciągłego pobierającego z sieci prąd bierny pojemnościowy I K Prąd w obwodzie wyjściowym jest uzależniony od spadku napięcia na indukcyjności L K, który wynika z różnicy napięć sieci u S i przekształtnika u CF (2.4.1). Zmiana amplitudy lub kąta położenia wektora napięcia sieci powoduje konieczność wprowadzenia zmian wektora prądu I K w celu zachowania stałej wartości pobieranej mocy. Prąd I K dopasowany jest w tym celu przez regulację amplitudy i kąta położenia wektora U CF. Można zatem stwierdzić, że pomiędzy wektorem napięć wyjściowych U CF a wektorem prądów w dławikach filtru I F nie ma jednoznacznej zależności. Układ sterowania przekształtnikiem o ciągłym napięciu wyjściowym (USP) utrzymuje zadaną wartość amplitudy i kąta napięcia na kondensatorze filtru C F, zarówno w stanach ustalonych jak i przejściowych (Rys. 2.4.3). Wartość napięcia u CF jest zadawana przez układ sterowania mocą aktywnego kompensatora (USM). Nadrzędny układ sterowania mocą (USM) odpowiada za regulację mocy kompensatora (K) i utrzymuje napięcia obwodu (DC) na zadanej wartości. Układ sterowania przekształtnikiem o ciągłym napięciu wyjściowym (USP) (Rys. 2.4.4) składa się z szeregowo połączonych regulatorów napięciowych RU wektora napięć U CF na kondensatorach C F i regulatorów prądowych RI wektora prądów I F w dławikach L F obwodu filtru dolnoprzepustowego typu LC (OFD) [B8, G2, K8, L2, P4, S3, T4, T5, T6]. W układzie sterowania wykorzystano regulatory proporcjonalno-całkujące (PI). 24

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM I K Obwód Wyjściowy (OW) Obwód Filtru Dolnoprzepustowego Typu LC (OFD) I F R K L K R F L F PP PP Sieć (SEE) PN C F PN U PM Przekształtnik 3-poziomowy (NPC) C G C D PN U S I K U CF I F T a1 T c4 q ref U DCref Układ Sterowania Mocą (USM) U CFref Układ Sterowania Przekształtnikiem (USP) U PMref Modulator Szerokości Impulsów (MSI) U DC Rys. 2.4.3. Schemat zastępczy przekształtnika przyłączonego do sieci z uwzględnieniem wektorów przestrzennych i ich wykorzystaniem w układzie sterowania; PN - pomiar napięcia, PP - pomiar prądu, U DCref - wartość zadana napięcia obwodu pośredniczącego, q ref - wartość zadana mocy biernej, U CFref - zadany wektor przestrzenny napięcia na kondensatorze filtru LC przekształtnika, U PMref - zadany wektor przestrzenny napięcia przekształtnika 25

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM u CFxref u CFyref u CFab u CFx u CFy ABC xy u CFbc Transformacja Napięcia na Kondensatorach Filtru LC Regulator Napięcia w Osi x PI PI i Fxref i Fyref Regulator Napięcia w Osi y γ S i Fx i Fy ABC xy Transformacja Prądu na Dławikach Filtru LC Regulator Prądu w Osi x PI PI Regulator Prądu w Osi y i Fa i Fb u PMxref u PMyref Układ Transformacji u Sα γ S xy αβ γ S u Sβ ABC αβ u PMαref u PMβref Transformacja Napięcia Sieciowego Modulator MSI u Sab u Sbc T a1 T c4 Wyznaczenie Kąta Fazowego Napięcia Sieci Rys. 2.4.4. Układ sterowania przekształtnikiem napięcia ciągłego (USP) z modulacją szerokości impulsów Obwód filtru LC cechuje się zdolnością gromadzenia energii w polu elektrycznym i magnetycznym. Praca tego typu układu wiąże się z koniecznością przepływu energii pomiędzy elementami L F i C F. Wystąpienie stanów dynamicznych spowodowanych zmianami warunków pracy układu powoduje powstanie stanów przejściowych w prądach i K i i F. Rolą układu sterowania jest eliminacja tych stanów przejściowych w dławikach filtru LC. Zmiany składowej biernej w napięciu na kondensatorze filtru C F (u CFy ) powodują przepływ mocy czynnej. Zmiana składowej u CFx wpływa na składową bierną prądu i Fy, co powoduje zmianę ilości przepływającej mocy biernej. 2.5. Sterowanie mocą aktywnego kompensatora Moc bierną pobieraną z sieci elektroenergetycznej (SEE) przez generator indukcyjny (GI) można kompensować stosując układ wytwarzania energii z kompensatorem przekształtnikowym (rozdz. 2.3) [G2, K2, T5, T6, P18, P19]. W niniejszej pracy przeanalizowano możliwość zastosowania aktywnych kompensatorów (K) wykorzystujących przekształtniki o impulsowym napięciu wyjściowym (PNI) i przekształtniki o ciągłym napięciu wyjściowym (PNC). Sterowanie aktywnym kompensatorem mocy powinno zapewnić współczynnik mocy tanφ (2.2.3) dążący do wartości równej zero, stabilizację napięcia w obwodzie (DC) oraz przeciwdziałanie zjawisku samowzbudzenia (rozdz. 2.2). Przekształtnikowe układy wytwarzania energii uwzględniające wektory przestrzenne i ich wykorzystanie w układzie sterowania, przedstawiono na Rys. 2.5.1 i Rys. 2.5.2. 26

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM W układzie wytwarzania energii z przekształtnikowym kompensatorem mocy o ciągłym napięciu wyjściowym (Rys. 2.5.2) zastosowano układ sterowania przekształtnikiem (USP), który został omówiony w (rozdz. 2.4). Aktywne kompensatory mocy biernej posiadające w swych strukturach przekształtniki o napięciu impulsowym (Rys 2.5.1) oraz ciągłym (Rys. 2.5.2) posiadają układy sterowania mocą (USM). Przekształtnik energoelektroniczny przyłączony do sieci za pomocą obwodu sprzęgającego (L lub LCL) może sterować przepływem mocy czynnej oraz kompensować moc bierną. Sterowanie mocą odbywa się przez wytwarzanie napięcia u K o pożądanej amplitudzie i fazie względem napięcia sieci u S. Moc transferowana zależy od amplitudy i różnicy kąta fazowego napięć δ. Układ sterowania mocą (USM) kompensatora (K) dedykowanego dla generatora indukcyjnego powinien regulować moc tak, by była to moc bierna pojemnościowa. Prąd kompensatora I K zmniejsza składową bierną (indukcyjną) prądu pobieranego z sieci i Sy do wartości równej zero (Rys. 2.3.2). Turbina Wodna (TW) Generator Indukcyjny (GI) Wał I G I S I S Sieć Elektroenergetyczna (SEE) n PP I K Obwód Wyjściowy (OW) PN I K R K PP L K U PM Przekształtnik 3-poziomowy (NPC) C G C D PN U S I K T a1 T c4 I S U DCref Układ Sterowania Mocą (USM) U PMref Modulator Szerokości Impulsów U DC Rys. 2.5.1. Schemat zastępczy układu wytwarzania energii z kompensatorem przekształtnikowym o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) z uwzględnieniem wektorów przestrzennych i ich wykorzystaniem w układzie sterowania 27

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Turbina Wodna (TW) Generator Indukcyjny (GI) Sieć Elektroenergetyczna (SEE) Wał I G I S I S n PP I K PN Obwód Wyjściowy (OW) I K PP R K L K Obwód Filtru Dolnoprzepustowego Typu LC (OFD) C F PN R F L F PP I F U PM Przekształtnik 3-poziomowy (NPC) C G C D PN N U S I K U CF I F T a1 T c4 I S U DCref Układ Sterowania Mocą (USM) U CFref Układ Sterowania Przekształtnikiem (USP) U PMref Modulator Szerokości Impulsów U DC Rys. 2.5.2. Schemat zastępczy układu wytwarzania energii z kompensatorem przekształtnikowym o ciągłym napięciu wyjściowym z uwzględnieniem wektorów przestrzennych i ich wykorzystaniem w układzie sterowania 28

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Sterowanie kompensatora aktywnego, oparte jest na metodzie zorientowanej napięciowo (ang. Voltage Oriented Control - VOC) [B9, B10, C4, C5, C6, H2, K11, K12, K13, M3, M6, M7, N3, O1, O2, T5, T6, Z4, Z5, P19]. W klasycznej metodzie zorientowanej napięciowo VOC, która jest przeznaczona dla prostowników aktywnych, zadana składowa bierna prądu wynosi zero. W sterowaniu kompensatorem aktywnym (K) musi występować składowa bierna prądu, aby nastąpiła kompensacja mocy biernej. W tym celu wprowadzono, w torze osi y, dodatkowy regulator Rq S. Nadrzędny regulator mocy biernej sieci Rq S wytwarza wartość wyjściową, która jest wartością zadaną dla regulatora prądu Ri Ky składowej biernej prądu kompensatora i Ky. Układ sterowania mocą aktywnego kompensatora (USM) oparty na metodzie zorientowanej napięciowo VOC posiada dwa tory regulacji (Rys. 2.5.3). Zadaniem pierwszego toru regulacji związanego z osią x jest regulacja mocy czynnej kompensatora. Regulator prądu w osi x ma za zadanie utrzymać prąd czynny kompensatora i Kx. Wartość prądu i Kx jest zadawana przez nadrzędny regulator napięcia stałego obwodu pośredniczącego. Regulator napięcia U DC w torze osi x utrzymuje sumę napięć (U G, U D ) na dwóch kondensatorach (C G, C D ) na zadanym poziomie (U DCref ). Rolą drugiego toru regulacji związanego z osią y jest regulacja mocy biernej pojemnościowej wytwarzanej przez przekształtnik. Regulator prądu w osi y utrzymuje prąd bierny kompensatora i Ky na poziomie wartości wyjściowej nadrzędnego regulatora mocy. Regulator mocy w torze osi y ma za zadanie utrzymanie mocy biernej pobieranej z sieci energoelektronicznej przez układ wytwarzania energii na poziomie zera. U DC U DCref Regulator Napięcia w Osi x PI i Kxref Regulator Prądu w Osi x PI u CFxref q Sref = 0 PI i Kyref PI u CFyref Transformacja Prądu Sieciowego Regulator Napięcia w Osi y i Kx i Ky Regulator Prądu w Osi y i Sa i Sb u Sab ABC xy γ S ABC xy u Sbc Transformacja Napięcia Sieciowego q S Wyznaczenie Mocy Pobieranej z Sieci i Ka i Kb ABC xy γ S Transformacja Prądu Kompensatora W przypadku sterowania dedykowanego dla kompensatora (KI) sygnały wyjściowe posiadają oznaczenie u PMxref i u PMyref Rys. 2.5.3. Układ sterowania mocą aktywnego kompensatora (USM) 29

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM W układzie sterowania przekształtnikowego kompensatora mocy biernej wykorzystano synchroniczne regulatory proporcjonalno-całkujące [K14]. Regulatory synchroniczne PI pracują z sygnałami zadanymi i mierzonymi reprezentowanymi w układzie współrzędnych xy, który wiruje synchronicznie z prędkością kątową ω napięcia sieci elektroenergetycznej. Przebiegi sinusoidalnych napięć i prądów w układzie współrzędnych xy mają charakter składowych stałych. Regulatory PI po porównaniu chwilowych wartości zadanych z wartości mierzonymi generują składowe wektora, który redukuje uchyb. Składowe wektora napięcia U PMxref, U PMyref po transformacji do układu współrzędnych nieruchomych αβ lub abc wykorzystywane są przez modulator szerokości impulsów do wyliczenia czasów załączeń tranzystorów trójpoziomowego przekształtnika (NPC). Regulatory synchroniczne zapewniają wysoką dokładność regulacji, gdyż pracując z sygnałami stałowartościowymi eliminują uchyb regulacji w stanach ustalonych. W sterowaniu VOC wykorzystano wektory przestrzenne napięć i prądów orientowane względem wektora przestrzennego napięcia sieci. Składowe czynne należy rozumieć jako składowe będące w fazie z napięciem sieci. Składowe bierne to składowe przesunięte względem napięcia sieci o 90 stopni elektrycznych. Wektor przestrzenny napięcia sieci U S we współrzędnych xy zdefiniowany jest na osi x. U S = u Sx (2.5.1) U S = u Sx u Sy = u Sx 0 (2.5.2) Składowe czynne x i bierne y napięć i prądów wyznaczane są za pomocą przekształcenia Clarke'a - Parka, w którym wykorzystywany jest kąt położenia γ S (2.1.5) wektora przestrzennego napięcia sieci. Przekształtnikowy kompensator mocy biernej przyłączony do sieci wpływa w mniejszym lub większym stopniu na odkształcenia napięcia sieci. Zjawisko to w literaturze nazywane jest oddziaływaniem przekształtników na sieć zasilającą. Odkształcenie napięcia sieci zależy od parametrów obwodu wyjściowego przekształtnika (OW) oraz mocy zwarciowej sieci w punkcie przyłączenia przekształtnika. Kąt γ S wyznaczany z odkształconego napięcia sieci zgodnie z zależnością (2.1.5) powoduje przeniesienie zniekształceń do składowych czynnych i biernych wielkości elektrycznych wykorzystywanych w sterowaniu przekształtnikowym kompensatorem (K). W celu wyeliminowania z kąta γ S odkształceń zastosowano filtrację kąta napięcia sieci (FKN) przedstawioną na Rys. 2.5.4. 30

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Wartości napięcia sieci w układzie współrzędnych abc zostały przetransformowane do współrzędnych wirujących synchronicznie xy z kątem φ 50. Kąt położenia φ 50 wektora przestrzennego napięcia wirującego z prędkością kątową ω 50 = 2 π f 50 zmieniający się w przedziale <0, 2 π) z częstotliwością 50Hz W wyniku transformacji uzyskano składową czynną u Sx1 i bierną u Sy1 pierwszej harmonicznej napięcia sieci, które po odfiltrowaniu przez filtry dolnoprzepustowe (LFP) zostały wykorzystane do wyznaczenia kąta napięcia sieci γ Sf. Odfiltrowany kąt napięcia sieci γ Sf został wykorzystany do wyliczenia składowych czynnych i biernych dla napięć i prądów wykorzystywanych w sterowaniu zorientowanym napięciowo VOC. u Sa u Sb u Sc ABC xy u Sx1 u Sy1 LFP LFP u Sx1f u Sy1f xy αβ u Sα1f u Sβ1f tan -1 (3.1.5) γ Sf φ 50 Wyznaczenie kąta fazowego o f=50hz φ 50 Rys. 2.5.4. Filtracja kąta napięcia sieci (FKN); LFP - filtr dolnoprzepustowy, φ 50 - kąt położenia φ 50 wektora przestrzennego napięcia wirującego z prędkością kątową ω 50 = 2 π f 50 zmieniający się w przedziale <0, 2 π) z częstotliwością 50Hz, u Sx1, u Sy1 - wartości pierwszej harmonicznej napięcia sieci w układzie współrzędnych xy, u Sx1f, u Sy1f - odfiltrowana wartości pierwszej harmonicznej napięcia sieci w układzie współrzędnych xy, u Sα1f, u Sβ1f - odfiltrowana wartości pierwszej harmonicznej napięcia sieci w układzie współrzędnych αβ, γ Sf - odfiltrowany kąt napięcia sieci Układ sterowania mocą (USM) aktywnego kompensatora o impulsowym napięciu wyjściowym (K) oparty na metodzie zorientowanej względem napięcia sieci u S (rozdz. 2.5, Rys. 2.5.3) przedstawiono na Rys. 2.5.5. W celu wyeliminowania z kąta napięcia sieci γ S odkształceń zastosowano układ (FKN) (Rys. 2.5.4). Układ sterowania kompensatora o ciągłym napięciu wyjściowym składający się z układu sterowania mocą (USM) (Rys. 2.5.3) i układu sterowania przekształtnikiem napięcia ciągłego (USP) (Rys. 2.4.4) przedstawiono na Rys. 2.5.6. Układ sterowania kompensatora (KC) oparty jest na metodzie zorientowanej względem napięcia sieci u S i wykorzystuje wielkości napięć i prądów przestawionych w układzie współrzędnych xy. Do wyznaczenia składowych czynnych i biernych prądów i napięć wykorzystano kąt napięcia sieci γ Sf, który został odfiltrowany za pomocą układu (FKN) (Rys. 2.5.4). 31

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Układ sterowania hybrydowego kompensatora o ciągłym napięciu wyjściowym składający się z układu sterowania mocą (USM) (Rys. 2.5.3) i układu sterowania przekształtnikiem napięcia ciągłego (USP) (Rys. 2.4.4) przedstawiono na Rys. 2.5.7. Układ sterowania kompensatora (HKC) oparty jest na metodzie zorientowanej względem napięcia sieci u S i wykorzystuje wielkości napięć i prądów przestawionych w układzie współrzędnych xy. Do wyznaczenia składowych czynnych i biernych prądów i napięć wykorzystano kąt napięcia sieci γ Sf, który został odfiltrowany za pomocą układu (FKN) (Rys. 2.5.4). Układ sterowania kompensatorem (HKC) posiada identyczną strukturę sterowania jak układ kompensatora (KC). Ze względu na różne wartości elementów obwodów sprzęgających LCL układy sterowania kompensatorów (KC) i (HKC) posiadają różne nastawy regulatorów. 32

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Turbina Wodna (TW) Generator Indukcyjny (GI) Wał Sieć Elektroenergetyczna (SEE) PPi S i Ga i Sa n i Gb i Sb PNU DC C G C D Przekształtnik 3-poziomowy (NPC) Obwód Wyjściowy (OW) R K L K i Ka PPi K i Kb PNu Sab PNu Sbc u Sab u Sbc AB,BC ABC u Sa u Sb B 1 Ru dc U DC U DCref Regulator Napięcia Obwodu DC T a1 u PMαref Modulator Szerokości Impulsów αβ u PMβref xy T c4 B 7 γ Sf i Ka ABC i Kb xy B 6 φ 50 Wyznaczenie Kąta Fazowego o f=50hz u Sx1 u Sx1f ABC xy B 2 LFP u Sy1 u Sy1f LFP u Sb ABC u Sa xy B 4 γ Sf i Sa ABC i Sb u Sx u Sy i Sx i Sy xy B 5 Regulator Prądu Biernego Kompensatora u PMyref Ri Ky u PMxref Ri Kx Regulator Prądu Czynnego Kompensatora φ 50 u Sα1f xy u Sβ1f αβ B 3 Wyznaczanie Mocy Pobieranej z Sieci i Kxref i Kyref i Ky i Kx Regulator Mocy Biernej Rq s Filtracja Kąta Napięcia Sieci (FKN) Wyznaczenie Kąta Sieci tan -1 γ Sf p S q Sref q S Rys. 2.5.5. Układ sterowania aktywnym kompensatorem o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) 33

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Turbina Wodna (TW) Generator Indukcyjny (GI) Wał i Ga Sieć Elektroenergetyczna (SEE) PPi S i Sa n i Gb i Sb PNU DC C G C D Przekształtnik 3-poziomowy (NPC) Obwód Filtru Dolnoprzepustowego Typu LC z Kondensatorami Filtrującymi (OFDF) PPi F R FF L FF i Fa i Fb PPi K Obwód Wyjściowy (OW) u Sab u Sbc R KF L KF i Ka i Kb u Sa PNu Sab PNu Sbc AB,BC ABC u Sb B 1 U DC i Sa i Sb Ru dc U DCref Regulator Napięcia Obwodu DC T a1 u PMαref u PMxref Regulator Prądu Biernego w Filtrze Modulator Szerokości Impulsów αβ Ri Fx u PMβref u PMyref xy Ri Fy T c4 B 7 γ Sf i Fa Regulator Prądu Czynnego w Filtrze i Fb ABC xy B 9 C FFc C FFb C FFa PNu CFb PNu CFa u CFb u CFa i Ka i Kb φ 50 Wyznaczenie Kąta Fazowego o f=50hz φ 50 u Sx1 u Sx1f u Sα1f ABC xy B 2 LFP xy u Sy1 u Sy1f u Sβ1f LFP αβ B 3 u Sb ABC u Sa xy B 4 γ Sf ABC u Sx u Sy i Sx i Sy Wyznaczanie Mocy Pobieranej z Sieci xy B 5 i Kxref Regulator Napięcia Czynnego w Filtrze i Fxref Ru CFx i Fyref Ru CFy i Fx i Fy Regulator Napięcia Biernego w Filtrze ABC xy B 8 γ Sf i Kx ABC xy B 6 i Ky Filtracja Kąta Napięcia Sieci (FKN) Wyznaczenie Kąta Sieci tan -1 γ Sf p S q Sref q S u CFx Ri Kx u CFxref Regulator Prądu Czynnego Kompensatora i Kx u CFy u CFyref Regulator Prądu Biernego Kompensatora Ri Ky i Ky i Kyref Regulator Mocy Biernej Rq s Rys. 2.5.6. Układ sterowania aktywnym kompensatorem o ciągłym napięciu wyjściowym (KC) 34

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Turbina Wodna (TW) Generator Indukcyjny (GI) Wał i Ga Sieć Elektroenergetyczna (SEE) i Sa n i Gb PPi S i Sb PNU DC C G C D Przekształtnik 3-poziomowy (NPC) Obwód Filtru Dolnoprzepustowego Typu LC z Kondensatorami Energetycznymi (OFDE) PPi F R FE L FE i Fa i Fb i Ka PPi K i Kb Obwód Wyjściowy (OW) R KE L KE PNu Sab PNu Sbc u Sab u Sbc AB,BC ABC u Sa u Sb B 1 U DC i Sa i Sb Ru dc U DCref Regulator Napięcia Obwodu DC T a1 u PMαref u PMxref Regulator Prądu Biernego w Filtrze Modulator Szerokości Impulsów αβ Ri Fx u PMβref u PMyref xy Ri Fy T c4 B 7 γ Sf i Fa Regulator Prądu Czynnego w Filtrze i Fb ABC xy B 9 C FEc PNu CFb u CFb C FEb N u CFa C FEa PNu CFa i Ka i Kb φ 50 Wyznaczenie Kąta Fazowego o f=50hz φ 50 u Sx1 u Sx1f u Sα1f ABC xy B 2 LFP xy u Sy1 u Sy1f u Sβ1f LFP αβ B 3 u Sb ABC u Sa xy B 4 γ Sf ABC u Sx u Sy i Sx i Sy Wyznaczanie Mocy Pobieranej z Sieci xy B 5 i Kxref Regulator Napięcia Czynnego w Filtrze i Fxref Ru CFx i Fyref Ru CFy i Fx i Fy Regulator Napięcia Biernego w Filtrze ABC xy B 8 γ Sf i Kx ABC xy B 6 i Ky Filtracja Kąta Napięcia Sieci (FKN) Wyznaczenie Kąta Sieci tan -1 γ Sf p S q Sref q S u CFx Ri Kx u CFxref Regulator Prądu Czynnego Kompensatora i Kx u CFy u CFyref Regulator Prądu Biernego Kompensatora Ri Ky i Ky i Kyref Regulator Mocy Biernej Rq s Rys. 2.5.7. Układ sterowania aktywnym hybrydowym kompensatorem o ciągłym napięciu wyjściowym (HKC) 35

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM 2.6. Model układu wytwarzania energii z kompensatorem przekształtnikowym Aktywny kompensator mocy to przekształtnik napięcia o ciągłym lub impulsowym napięciu wyjściowym z obwodem pośredniczącym napięcia stałego. Przekształtniki te przyłączone do sieci w mniejszym lub większym stopniu wpływają na odkształcenie napięcia sieci. Zjawisko to w literaturze nazywane jest oddziaływaniem przekształtników na sieć zasilającą. Odkształcenie napięcia sieci zależy również od parametrów filtru wyjściowego (OW) i mocy zwarciowej sieci (SEE) w punkcie przyłączenia przekształtnika (PCC). Oddziaływanie przekształtnika na sieć jest tym większe im mniejsza jest moc zwarciowa sieci, czyli większa impedancja sieci. Małe elektrownie wodne zazwyczaj przyłączone są w obszarach wiejskich, gdzie stosuje się transformatory o małej mocy, a sieć jest rozproszona, co sprawia że odległość do transformatora SN/nn może być duża. W celu odwzorowania specyfiki linii niskiego napięcia, do którego zazwyczaj przyłączone są elektrownie (MEW), wykorzystano sieć o małej mocy zwarciowej. Do badania wykorzystano wydzieloną sieć dostępną w laboratorium badawczym Politechniki Warszawskiej. Laboratoryjna sieć wydzielona 3 x 185V zasilana jest z transformatora obniżającego o mocy 10kVA i prądzie zwarciowym wynoszącym 360A. Parametry transformatora przedstawiono w Tabeli 2.6.1. W układzie komputerowym zastosowano model sieci elektroenergetycznej o napięciu 3 x 185V, rezystancji R S = 0,12Ω i indukcyjności L S = 417μH. Jest to model, który odpowiada parametrom sieci wydzielonej 3 x 185V dostępnej w laboratorium badawczym. Tabela 2.6.1. Parametry transformatora laboratoryjnego Parametr: Moc znamionowa S N Grupa połączeń Napięcie znamionowe górne U GN Napięcie znamionowe dolne U DN Wartość: 10kVA Yy0 500V 231V Prąd znamionowy górny I GN 11,55A Prąd znamionowy dolny I DN 25A Napięcie zwarciowe U Z% 3,23% Straty obciążeniowe P CU 210W 36

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Do badan generatora indukcyjnego z aktywnym kompensatorem przekształtnikowym zbudowano zespół wirujący składający się z dwóch maszyn indukcyjnych klatkowych (Rys. 2.6.1). Rolę turbiny wodnej pełni maszyna zaprojektowana na napięcie 3 x 400V zasilana z przemiennika częstotliwości. Natomiast maszyna zaprojektowana na obniżone napięcie 3 x 220V i pozostałych parametrach przedstawionych w Tabeli 2.6.2 pełni rolę generatora. Generator Indukcyjny Klatkowy (GI) Silnik Indukcyjny Pracujący Jako Turbina Wodna (TW) Rys. 2.6.1. Laboratoryjny zespół wirujący Tabela 2.6.2. Parametry maszyny indukcyjnej klatkowej Moc znamionowa P N Parametr: Napięcie znamionowe U N 7,5kW 3 x 220V Wartość: Prąd znamionowy I N 27,1A Prędkość synchroniczna n S 1500obr/min Współczynnik mocy cosφ N 0,82 Rezystancja stojana R G 0,328Ω Rezystancja wirnika R W 0,195Ω Indukcyjność rozproszenia stojana L G Indukcyjność rozproszenia wirnika L W Indukcyjność magnesująca L M 1,3mH 1,3mH 32,5mH 37

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Badania symulacyjne aktywnych kompensatorów mocy biernej zostały przeprowadzone w oparciu o modele zbudowane z wykorzystaniem oprogramowania PSIM (ang. Powersim) [P7]. Układy sterowania kompensatorów oparte na metodzie zorientowanej napięciowo VOC (rozdz. 2.5) zostały zrealizowane jako elementy biblioteki DLL (ang. Dynamic - Link Library). Schemat blokowy modelów symulacyjnych wykorzystujących biblioteki elementów elektrycznych i cyfrowych programu PSIM przedstawiono na Rys. 2.6.2. Turbina Wodna (TW) Generator (GI) Wał I S Sieć (SEE) Modulator n Kompensator mocy (K) Obwód Wyjściowy (OW) L K I K I K I S U S U DC z -1 DLL Emulator DSP S&H Pomiar U S, U DC, I K, I S Przetworniki Pomiarowe Rys. 2.6.2. Schemat blokowy modelu symulacyjnego; DSP - mikroprocesor o architekturze przystosowanej do przetwarzania sygnałów cyfrowych (ang. Digital signal processor), S&H - przetwornik próbkująco pamiętający (ang. Sample and hold), z 1 - opóźnienie o jeden okres próbkowania W celu przeprowadzenia badań symulacyjnych odpowiadających wynikom laboratoryjnego układu, w którym trójpoziomowy przekształtnik NPC zbudowany jest z trzech jednogałęziowych modułów SKM150MLI066T przyjęto spadek napięcia na łączniku półprzewodnikowym w stanie przewodzenia równy 1,7V. Czas występujący pomiędzy wyliczeniem a realizacją wypełnień T op wynosi jeden okres próbkowania T S (blok z 1 na Rys. 2.6.2). Tranzystory w każdej gałęzi trójpoziomowego przekształtnika NPC załączane są za pomocą dwóch par sygnałów komplementarnych. Sygnały T (x)3 i T (x)4 powstały po zanegowaniu odpowiednio sygnałów T (x)1 i T (x)2. T (x)1 - T (x)4 są to sygnały PWM podawane na cztery tranzystory jednej z gałęzi przekształtnika NPC. W celu niedopuszczenia do zwarcia obwodu pośredniczącego napięcia stałego, zbocze narastające impulsu załączającego tranzystor jest opóźnione względem zbocza opadającego wyłączającego drugi tranzystor dla tej samej pary sygnałów komplementarnych. Opóźnienie czasu załączenia tranzystora nazywane jest czasem martwym. Długość czasu opóźnienia załączenia tranzystorów dobierana jest zależnie od wartości napięcia obwodu pośredniczącego U DC, wartości 38

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM przełączanego prądu, typu łącznika tranzystorowego a także i rezystancji bramki tranzystora. Czas martwy ma wpływ na jakość napięcia wyjściowego przekształtnika. Strefa martwa dla łączników przekształtnika została ustawiona za pomocą driver ów SKHI22BR na 1,3μs, co uwzględniono także w modelu symulacyjnym. Częstotliwość przełączania tranzystorów dobrana została na 10kHz co zapewnia kompromis pomiędzy zawartością harmonicznych w napięciu wyjściowym przekształtnika a stratami łączeniowymi i wymaganą mocą obliczeniową procesora DSP (ang. Digital Signal Processor). 2.7. Analiza jakości energii przekształtnikowego kompensatora mocy w zależności od zastosowanej metody modulacji i wartości napięcia obwodu pośredniczącego Główne parametry obwodu mocy i algorytmu sterowania (takie same jak stanowiska laboratoryjnego - patrz rozdz. 3.2, Tabela 3.2.1) przedstawiono w Tabeli 2.7.1. Tabela 2.7.1. Parametry modelu symulacyjnego zbudowanego w PSIMie Symbol Wartości Opis T sym 10 7 s krok obliczeń symulacji f s 10 4 Hz częstotliwość łączeń f syg 50Hz częstotliwość sygnału zadanego DT 1,3 10 6 s czas martwy w sygnałach sterujących tranzystorami U CE 1,7V spadek napięcia na łączniku półprzewodnikowym w stanie przewodzenia T samp 10 4 s okres próbkowania sygnałów i obliczeń regulatora T op 10 4 s czas pomiędzy wyliczeniem a realizacją wypełnień U Sp 3 x 185V napięcie przewodowe sieci elektroenergetycznej f 50Hz częstotliwość sieci elektroenergetycznej R S 0,12Ω rezystancja sieci elektroenergetycznej L S 417μH indukcyjność sieci elektroenergetycznej R G 0,328Ω rezystancja uzwojenia stojana R W 0,195Ω rezystancja uzwojenia wirnika L G 1,3mH indukcyjność rozproszenia uzwojenia stojana L W 1,3mH indukcyjność rozproszenia uzwojenia wirnika L M 32,5mH indukcyjność magnesowania p 3 liczba par biegunów J 0,3kg m 2 moment bezwładności L K 3mH indukcyjność dławika obwodu wyjściowego R K 80mΩ rezystancja dławika obwodu wyjściowego R p 10mΩ rezystancja przewodów C G, C D 2200μF pojemność każdego z kondensatorów obwodu pośredniczącego R CG, R CD 30mΩ rezystancja każdego z kondensatorów obwodu pośredniczącego Ro CG, Ro CD 100kΩ rezystancja obciążenia każdego z kondensatorów obwodu (DC) 39

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM Generator indukcyjny o mocy pozornej 9,195kVA produkuje moc czynną na poziomie 7,5kW i pobiera 5,32kVar mocy biernej. Sterowanie mocą (USM) aktywnego kompensatora (KI) oparte jest na metodzie zorientowanej napięciowo VOC (rozdz. 2.5) i zostało zrealizowane jako element biblioteki DLL. Sterowanie przekształtnikowym kompensatorem (USM) odpowiada za regulację napięcia wyjściowego przekształtnika, które wymusza przepływ prądu kompensatora i K o zadanej amplitudzie i fazie. Prąd kompensatora i K zmniejsza składową bierną (indukcyjną) prądu pobieranego z sieci i Sy do wartości równej zero (Rys. 2.3.2). Przekształtnik energoelektroniczny wytwarza moc bierną pojemnościową, która jest równa co do wartości mocy biernej indukcyjnej pobieranej przez generator (GI). W rezultacie następuje całkowita kompensacja mocy biernej pobieranej z sieci. Układ symulacyjny poddany został analizie jakości prądu fazowego przekształtnikowego kompensatora (KI) pod kątem zastosowanej metody modulacji i wartości napięcia obwodu pośredniczącego. Analizie poddano metody modulacji bazujące na współrzędnych naturalnych SPWM-PD i SPWM-POD oraz metodę wektora przestrzennego SVPWM. Prąd przekształtnikowego kompensatora o impulsowym napięciu wyjściowym i Ka został przetransformowany z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości z wykorzystaniem dyskretnej szybkiej transformacji Fouriera FFT (ang. Fast Fourier Transform). Przed dokonaniem transformacji FFT sygnał prądu i Ka poddany został filtracji za pomocą filtru antyaliasingowego, którego parametry dobrano zgodnie z założeniami przedstawionymi w literaturze [S9]. Na podstawie widma częstotliwościowego prądu aktywnego kompensatora i Ka wyznaczono współczynniki zawartości harmonicznych THDi Ka i THD 40 i Ka. Normy dotyczące badania jakości energii elektrycznej obowiązujące w Polsce przewidują kontrolę widma częstotliwościowego do 40 harmonicznej, a więc 2kHz [P16]. Współczynnik odkształcenia prądu THD 40 i Ka obliczono biorąc pod uwagę pierwsze czterdzieści harmonicznych. Zawartości harmonicznych THDi Ka wyznaczono biorąc pod uwagę pierwsze 5000 harmonicznych, co odpowiada pasmu częstotliwości do 250kHz. Parametr THDi Ka obliczono w celu uwzględnienia częstotliwości przełączania tranzystorów i jej wielokrotności w analizie jakości prądu kompensatora (KI). Współczynniki zawartości harmonicznych THD (ang. Total Harmonic Distortion) przestawione zostały dla różnych metod modulacji w funkcji wartości napięcia obwodu pośredniczącego U DC dla całkowitej kompensacji mocy biernej pobieranej z sieci (tanφ = 0,0) na Rys. 2.7.2 i Rys. 2.7.3. Zakres doboru wartości napięcia obwodu pośredniczącego dobrany został w przedziale od 310V do 610V. 40

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM THDi Ka [%] 5,0 4,5 4,0 5 4,5 4 3,5 3,0 3,5 3 SPWM - POD 2,5 2,0 1,5 2,5 2 1,5 SPWM - PD SVPWM 1,0 1 610 590 570 550 530 510 490 470 450 430 410 390 370 350 330 310 290 U DC [V] 0,58 0,7 0,8 0,9 1,0 1,15 m Rys. 2.7.2. Wyniki badań symulacyjnych. Współczynnik zawartości harmonicznych THDi Ka w prądzie kompensatora (KI) w zależności od zastosowanej metody modulacji i wartości napięcia obwodu pośredniczącego. Całkowita kompensacja mocy biernej pobieranej z sieci (SEE), tanφ = 0,0 THD 40 i Ka [%] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 2,5 2 1,5 1 0,5 SPWM - POD SPWM - PD SVPWM 610 590 570 550 530 510 490 470 450 430 410 390 370 350 330 310 290 U DC [V] 0,58 0,7 0,8 0,9 1,0 1,15 m Rys. 2.7.3. Wyniki badań symulacyjnych. Współczynnik zawartości harmonicznych THD 40 i Ka w prądzie kompensatora (KI) w zależności od zastosowanej metody modulacji i wartości napięcia obwodu pośredniczącego. Całkowita kompensacja mocy biernej pobieranej z sieci (SEE), tanφ = 0,0 Amplituda napięcia przewodowego dla modulacji SPWM w zakresie modulacji liniowej (m <0 ; 1,0>) może osiągnąć maksymalną wartość równą 41 3 2 U DC. Modulacja wektorowa SVPWM posiada rozszerzony zakres liniowej charakterystyki sterowania dla wartości współczynnika modulacji amplitudy m w przedziale <0 ; 1,15>. Maksymalna wartość amplitudy napięcia przewodowego dla modulacji SVPWM równa jest napięciu obwodu pośredniczącego U DC. Wynika z tego że metoda wektora przestrzennego daje

ROZDZIAŁ 2. KOMPENSATORY MOCY BIERNEJ DLA ELEKTROWNI WODNEJ Z GENERATOREM INDUKCYJNYM możliwość uzyskania 2 3 razy większej (o 15,5%) amplitudy napięcia (w zakresie liniowej charakterystyki sterowania) niż metoda modulacji naturalnej. Współczynnik zawartości harmonicznych w prądzie kompensatora (Rys. 2.7.2, Rys. 2.7.3) gwałtownie wzrasta po przejściu modulatora w stan nadmodulacji. Przekształtnikowy kompensator o impulsowym napięciu wyjściowym kompensujący całą moc bierną indukcyjną pobieraną przez generator (GI) przechodzi do stanu nadmodulacji przy różnych wartościach napięcia obwodu pośredniczącego. Modulatory bazujące na współrzędnych naturalnych (SPWM-PD, SPWM- POD) powodują że kompensator (KI) przechodzi do stanu nadmodulacji przy napięciu obwodu pośredniczącego mniejszym niż 350V. Modulacja wektorowa SVPWM powoduje że kompensator przechodzi do stanu nadmodulacji przy napięciu obwodu pośredniczącego mniejszym niż 310V. Z pośród analizowanych metod, modulacja SPWM-POD posiada największy udział harmonicznych powstałych pod wpływem przełączenia tranzystorów. Współczynniki zawartości harmonicznych w prądzie kompensatora (KI) posiadają najniższe wartości dla górnych zakresów liniowych charakterystyk sterowania modulatorów. Najniższymi zawartościami harmonicznych cechuje się metoda SVPWM w przedziałach współczynnika modulacji amplitudy od 0,9 do 1,15. Punkt pracy kompensatora (KI) dobrany został dla modulacji SVPWM przy napięciu obwodu pośredniczącego równego 350V (m 1,0). Dzięki dobraniu wartości napięcia pośredniczącego równego 350V, kompensator (KI) jest w stanie pracować w szerokim zakresie kompensowanej mocy biernej dla najniższych współczynników THD w prądzie, które przypadają na współczynniki głębokości modulacji amplitudy m w przedziale <0,9 1,15>. Niewielka różnica pomiędzy współczynnikami modulacji amplitudy m kompensatorów o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) i kompensatorów o ciągłym napięciu wyjściowym (KC, HKC) przy tych samych wartościach kompensowanych mocy decyduje że dobrany punkt pracy (U DC = 350V) jest słusznym rozwiązaniem dla każdego z kompensatorów. 42

Rozdział 3 Badania laboratoryjne 3.1. Wprowadzenie W rozdziale przedstawiono dwa niezależne stanowiska badawcze układu wytwarzania energii z generatorem indukcyjnym: - układ przekształtnikowy z zespołem elektromaszynowym małej mocy o obniżonym napięciu zasilania do przeprowadzania badań na terenie Politechniki Warszawskiej (rozdz. 3.2) - układ przekształtnikowy do współpracy ze spalinowym zespołem prądotwórczym o mocy 60kW do prowadzenia badań w laboratorium przemysłowym (rozdz. 3.3) Laboratoryjne układy wytwarzania energii z generatorami indukcyjnymi mają na celu potwierdzenie słuszności opracowanych, w rozdz. 3, metod sterowania. W układzie o obniżonym napięciu zasilania na podstawie, którego zrealizowano komputerowy model (rozdz. 2.6), postanowiono zmniejszyć moc pozorną, z którą pracuje generator indukcyjny do 7,3kVA, co jest podyktowane kwestiami bezpieczeństwa. Wyniki badań układu o obniżonym napięciu zasilania przedstawiono dla dwóch trybów pracy: - całkowitej kompensacji mocy biernej indukcyjnej pobieranej przez generator indukcyjny z sieci (rozdz. 3.2.1) - zadanym tanφ (rozdz. 3.2.2) Badania układu wytwarzania energii ze spalinowym zespołem prądotwórczym mają na celu analizę pracy kompensatora przekształtnikowego dla mocy generatora indukcyjnego (60kW) zbliżonej do mocy małych elektrowni wodnych. 43

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE 3.2. Badania układu wytwarzania energii z generatorem indukcyjnym niskiej mocy (7,5kW) - w laboratorium badawczym Politechniki Warszawskiej Badania eksperymentalne zostały przeprowadzone na stanowisku zbudowanym w laboratorium badawczym Politechniki Warszawskiej w trakcie realizacji rozprawy doktorskiej. Na Rys. 3.2.1 przedstawiono schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego. Sterowanie aktywnego kompensatora mocy biernej (KI) omówiono w rozdziale 2.5. Laboratoryjny układ przekształtnikowego kompensatora (KI) przedstawiono na Rys. 3.2.2. Zespół Wirujący Silnik Indukcyjny Generator Indukcyjny (TW) (GI) Wał M I S Sieć Elektroenergetyczna (SEE) n I S U S Bateria Kondensatorów (B) C B I K L K Przekształtnikowy Kompensator Mocy (KI) C G C D I K U DC Kontroler DSP Przekształtnika Przetworniki Pomiarowe Rys. 3.2.1. Schemat blokowy układu wytwarzania energii z przekształtnikowym kompensatorem mocy biernej Aktywny kompensator mocy o impulsowym napięciu wyjściowym (KI) wykonano z wykorzystaniem trójpoziomowego przekształtnika energoelektronicznego z diodami poziomującymi połączonymi z punktem neutralnym (ang. Neutral Point Clamped - NPC) [I2, K3, K7, R4, S2, W3]. Obwód silnoprądowy przekształtnika składa się z trzech gałęzi przekształtnika, kondensatorów napięcia stałego, gałęzi układu bezpiecznego ograniczania napięcia (ang. Break Chopper), rezystorów rozładowujących, czujników prądowych i napięciowych (Rys. 3.2.2). Do budowy aktywnego kompensatora przekształtnikowego wykorzystano dedykowane do przekształtników NPC moduły tranzystorowe IGBT firmy Semikron z serii SEMITRANS Pojedynczy moduł zawiera cztery tranzystory IGBT oraz sześć diod, i jest przystosowany do wykorzystania jako gałąź przekształtnika trójpoziomowego NPC. W czasie budowy obwodów silnoprądowych, najmniejszym dostępnym modułem trójpoziomowym z serii SEMITRANS był moduł SKM150MLI066T, 44

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE który zawiera tranzystory o nominalnym prądzie kolektora równym 150A. Ponieważ konstruowany przekształtnik jest urządzeniem prototypowym, zdecydowano się na przewymiarowanie obwodu silnoprądowego dzięki czemu zapas prądowy pozwolił na badanie stabilności układu bez obaw zniszczenia tranzystorów. Do budowy przekształtnika wykorzystano trzy moduły SKM150MLI066T, których wejścia napięciowe połączone są z obwodem napięcia stałego wykonanym w postaci płytowej tzw. busbar. Rys. 3.2.2. Przekształtnikowy kompensator mocy biernej: a). widok z przodu; b). widok z boku; c). sterowniki tranzystorów; d). zabezpieczenia nadprądowe i styczniki; e). czujniki pomiarowe; f). mikroprocesor wraz z płytką bazową Do płyt obwodu napięcia stałego zamontowano kondensatory elektrolityczne (Rys. 3.2.2.b) o pojemności 2,2mF i dopuszczalnym napięciu pracy do 500V. Dodatkowo do obwodu DC 45

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE dołączona jest gałąź układu zabezpieczającego kondensatory przed zbyt dużym napięciem (ang. Break Chopper). Pomiary prądów sieci i przekształtnika zrealizowano przy pomocy czujników LEM LA55-P, natomiast do pomiarów napięcia sieci użyto czujników LEM LV25-P (Rys. 3.2.2.e). Do sterowania aktywnym kompensatorem (KI) wykorzystany został procesor DSP TMS320F28335 firmy Texas Instruments [T9]. Dla układu TMDSEZ28335 zawierającego mikroprocesor TMS320F28335 zbudowana została płytka bazowa, którą przedstawiono na Rys. 3.2.2.f. Do głównych celów płytki bazowej należą między innymi: - przetwarzanie i kondycjonowanie sygnałów otrzymywanych z czujników napięciowych i prądowych na sygnały napięciowe - dopasowanie poziomów napięć sygnałów PWM generowanych przez mikroprocesor DSP do poziomów akceptowanych przez sterownik tranzystorów IGBT - komunikacja cyfrowa z zewnętrznymi 14 bitowymi przetwornikami cyfrowo-analogowymi Do wyzwalania tranzystorów wykorzystano sterowniki firmy Semikron o oznaczeniu SKHI22B (Rys. 3.2.2.c). Sterownik ten przeznaczony jest do wyzwalania dwóch tranzystorów, zapewnia wytworzenie czasów martwych oraz monitoruje napięcia nasycenia kolektor-emiter U CE(sat) tranzystorów. Czasy martwe załączenia tranzystorów (ang. Deadtime) zostały ustawione za pomocą sterownika SKHI22B na 1,3µs. Stanowisko badawcze z przekształtnikowym kompensatorem mocy biernej przygotowane do badań w laboratorium badawczym Politechniki Warszawskiej pokazano na Rys. 3.2.3. Wykaz podstawowych elementów, wchodzących w skład stanowiska, zamieszczono w Tabeli 3.2.1. W trakcie badań laboratoryjnych wykorzystano zespół wirujący składający się z dwóch maszyn indukcyjnych klatkowych (Rys. 2.6.1). Rolę turbiny wodnej pełni maszyna SZJe-44b zaprojektowana na napięcie 3 x 400V zasilana z przemiennika częstotliwości Twerd MFC 710 11kW [W4]. Natomiast maszyna S1-132M zaprojektowana na obniżone napięcie 3 x 220V i pozostałych parametrach przedstawionych w Tabeli 3.2.1 pełni rolę generatora. Do badań wykorzystano wydzieloną sieć dostępną w laboratorium badawczym Politechniki Warszawskiej. Laboratoryjna sieć wydzielona 3 x 185V zasilana jest z transformatora obniżającego o mocy 10kVA i prądzie zwarcia 360A. Parametry transformatora przedstawiono w Tabeli 2.6.1. Wyniki badań układu laboratoryjnego zarejestrowane zostały 46

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE z wykorzystaniem oscyloskopu TDS 3034B firmy Tektronix i analizatora mocy 434 firmy Fluke. Rys. 3.2.3. Stanowisko badawcze z przekształtnikowym kompensatorem mocy biernej przygotowane do badań w laboratorium badawczym Politechniki Warszawskiej Tabela 3.2.1. Wykaz parametrów i podstawowych elementów układu laboratoryjnego Symbol Wartości Opis f s 10 4 Hz częstotliwość łączeń f syg 50Hz częstotliwość sygnału zadanego DT 1,3 10 6 s czas martwy w sygnałach sterujących tranzystorami SVPWM - modulacja wektorowa U CE 1,7V spadek napięcia na łączniku półprzewodnikowym w stanie przewodzenia T samp 10 4 s okres próbkowania sygnałów i obliczeń regulatora U Sp 3 x 185V napięcie przewodowe sieci elektroenergetycznej f 50Hz częstotliwość sieci elektroenergetycznej L K 3mH indukcyjność dławika obwodu wyjściowego C G, C D 2200μF pojemność każdego z kondensatorów obwodu pośredniczącego U DC 350V napięcie obwodu pośredniczącego Ro CG, Ro CD 100kΩ rezystancja obciążenia każdego z kondensatorów obwodu (DC) C B 4,5μF pojemność kondensatorów baterii 47

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE 3.2.1 Kompensacja mocy biernej Za pomocą analizatora jakości energii wykonane zostały pomiary układu laboratoryjnego dla przypadku pracy bez kompensacji mocy biernej (Rys. 3.2.1.1 i 3.2.1.2). Praca przekształtnikowego kompensatora ogranicza się jedynie do wstępnego ładowania napięcia obwodu pośredniczącego przez diody zwrotne. Generator indukcyjny o mocy pozornej 7,32kVA pracujący w ustalonym stanie pracy produkuje moc czynną na poziomie 5,5kW i pobiera 4,83kVar mocy biernej. U Sc I Sb U Sa I Sa I Sc U Sb Rys. 3.2.1.1. Badania laboratoryjne: wektorowe napięcia i prądy sieci - układ bez kompensacji Rys. 3.2.1.2. Badania laboratoryjne mocy - układ bez kompensacji Na Rys. 3.2.1.3 pokazano przebiegi napięcia sieci u Sa, prądu sieci i Sa i napięcia obwodu pośredniczącego U DC dla przypadku pracy generatora na sieć bez kompensacji mocy biernej (i Ka = 0). 48

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE u Sa i Sa U DC i Ka Rys. 3.2.1.3. Badania laboratoryjne; u S - napięcie sieci, i S - prąd pobierany z sieci, i K - prąd kompensatora, U DC -napięcie obwodu pośredniczącego Za pomocą analizatora jakości energii, dokonano pomiaru zawartości harmonicznych w napięciu sieci U S (Rys. 3.2.1.4). Wyznaczone przez analizator THD napięcia sieci wynosiło 1,6% natomiast zawartość harmonicznych w prądzie sieci I S była równą 1,8%. Rys. 3.2.1.4. Zawartość harmonicznych w napięciu sieci U S Analogiczne pomiary wykonano dla układu wytwarzania energii z równoległym aktywnym kompensatorem mocy biernej. Rys. 3.2.1.5 oraz Rys. 3.2.1.6 przedstawiają pomiary analizatorem jakości energii. W celu zredukowania wpływu aktywnej kompensacji na napięcie sieci (SEE) zastosowano kondensatory filtrujące C B o pojemności 4,5µF połączone w trójkąt. Na podstawie przeprowadzonej w Rozdz. 7.4 analizy jakości energii 49

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE przekształtnikowego kompensatora mocy wybrano modulacje SVPWM i wartość napięcia obwodu pośredniczącego równą 350V. U Sc I Sb U Sa I Sa U Sb I Sc Rys. 3.2.1.5. Badania laboratoryjne: wektorowe napięcia i prądy sieci - układ z włączoną aktywną kompensacją mocy Rys. 3.2.1.6. Badania laboratoryjne mocy - układ z włączoną aktywną kompensacją mocy Układ z włączonym kompensatorem aktywnym oddawał do sieci moc czynną równą 5,54kW. Moc bierna została skompensowana i wynosiła 0,12kVar o charakterze indukcyjnym (Rys. 3.2.1.6). Wektorowe napięcia sieci i prądy kompensatora dla układu z włączoną aktywną kompensacją mocy przedstawiono na Rys. 3.2.1.7. Prąd przekształtnikowego kompensatora i K poddany analizie zawartości harmonicznych pokazano na Rys. 3.2.1.8 oraz Rys. 3.2.1.9. Zawartość harmonicznych w prądzie kompensatora aktywnego I K wynosiła 2,2%. 50

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE U Sc I Ka U Sa I Kc U Sb I Kb Rys. 3.2.1.7. Badania laboratoryjne: wektorowe napięcia sieci i prądy kompensatora aktywnego - układ z włączoną aktywną kompensacją mocy Rys. 3.2.1.8. Zawartość harmonicznych w prądzie kompensatora aktywnego I K Rys. 3.2.1.9. Zawartość harmonicznych w trzech fazach prądu kompensatora aktywnego I K 51

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Za pomocą oscyloskopu wykonano pomiary napięcia i prądów w układzie z włączoną aktywna kompensacją mocy, co pokazano na Rys. 3.2.1.10. U DC u Sa i Sa i Ka Rys. 3.2.1.10. Badania laboratoryjne; u S - napięcie sieci, i S - prąd pobierany z sieci, i K - prąd kompensatora, U DC -napięcie obwodu pośredniczącego W przypadku pracy bez kompensacji, przesunięcie fazowe pomiędzy wektorem prądu sieci I Sa i wektorem napięcia sieci U Sa wynosiło 223º (Rys. 3.2.1.1). Natomiast przy wyłączonym kompensatorze aktywnym, przesunięcie fazowe pomiędzy wektorem prądu sieci I Sa a wektorem napięcia sieci U Sa zmalało do 183º (Rys. 3.2.1.5). Wyznaczone przez analizator THD prądu pobieranego z sieci I S przez układ wytwarzania energii wynosiło 2,1%. Włączenie aktywnego kompensatora spowodowało niewielki wzrost zawartości harmonicznych w prądzie sieci z 1,8% do 2,1%. 52

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE 3.2.2 Dostarczenie zadanej mocy biernej do sieci Za pomocą analizatora jakości energii wykonane zostały pomiary układu laboratoryjnego dla przypadku pracy bez kompensacji mocy biernej (Rys. 3.2.2.1 i 3.2.2.2). Praca przekształtnikowego kompensatora ogranicza się jedynie do wstępnego ładowania napięcia obwodu pośredniczącego przez diody zwrotne. Generator indukcyjny o mocy pozornej 4,96kVA pracujący w ustalonym stanie pracy produkuje moc czynną na poziomie 3,16kW i pobiera 3,82kVar mocy biernej. I Sb U Sc U Sa I Sc I Sa U Sb Rys. 3.2.2.1. Badania laboratoryjne: wektorowe napięcia i prądy sieci - układ bez kompensacji Rys. 3.2.2.2. Badania laboratoryjne mocy - układ bez kompensacji Na Rys. 3.2.2.3 pokazano przebiegi napięcia sieci u Sa, prądu sieci i Sa i napięcia obwodu pośredniczącego U DC dla przypadku pracy generatora na sieć bez kompensacji mocy biernej (i Ka = 0). Wyznaczone przez analizator THD napięcia sieci wynosiło 1,6% (Rys. 3.2.1.4) natomiast zawartość harmonicznych w prądzie sieci I S była równą 2,2%. 53

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE u Sa i Sa U DC i Ka Rys. 3.2.2.3. Badania laboratoryjne; u S - napięcie sieci, i S - prąd pobierany z sieci, i K - prąd kompensatora, U DC -napięcie obwodu pośredniczącego Analogiczne pomiary wykonano dla układu wytwarzania energii z równoległym aktywnym kompensatorem mocy biernej. Rys. 3.2.2.4 oraz Rys. 3.2.2.5 przedstawiają pomiary analizatorem jakości energii. W celu zredukowania wpływu aktywnej kompensacji na napięcie sieci (SEE) zastosowano kondensatory filtrujące C B o pojemności 4,5µF połączone w trójkąt. Na podstawie przeprowadzonej w Rozdz. 2.6 analizy jakości energii przekształtnikowego kompensatora mocy wybrano modulacje SVPWM i wartość napięcia obwodu pośredniczącego równą 350V. U Sc I Sb U Sa I Sa U Sb I Sc Rys. 3.2.2.4. Badania laboratoryjne: wektorowe napięcia i prądy sieci - układ z włączoną aktywną kompensacją mocy 54

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Rys. 3.2.2.5. Badania laboratoryjne mocy - układ z włączoną aktywną kompensacją mocy Układ z włączonym kompensatorem aktywnym oddawał do sieci moc czynną równą 2,84kW. Moc bierna została zadana na wartość 0,9kVar o charakterze pojemnościowym (tanφ = 0,3)(Rys. 3.2.2.5). Wektorowe napięcia sieci i prądy kompensatora dla układu z włączoną aktywną kompensacją mocy przedstawiono na Rys. 3.2.2.6. Prąd przekształtnikowego kompensatora I K poddany analizie zawartości harmonicznych pokazano na Rys. 3.2.2.7 oraz Rys. 3.2.2.8. Za pomocą oscyloskopu wykonano pomiary napięcia i prądów w układzie z włączoną aktywną kompensacją mocy, co pokazano na Rys. 3.2.2.9. I Ka U Sc U Sa I Kc I Kb U Sb Rys. 3.2.2.6. Badania laboratoryjne: wektorowe napięcia sieci i prądy kompensatora aktywnego - układ z włączoną aktywną kompensacją mocy 55

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Rys. 3.2.2.7. Zawartość harmonicznych w prądzie kompensatora aktywnego I K Rys. 3.2.2.8. Zawartość harmonicznych w trzech fazach prądu kompensatora aktywnego I K W przypadku pracy bez kompensacji, przesunięcie fazowe pomiędzy wektorem prądu sieci I Sa i wektorem napięcia sieci U Sa wynosiło 232º (Rys. 3.2.2.1). Natomiast przy wyłączonym kompensatorze aktywnym, przesunięcie fazowe pomiędzy wektorem prądu sieci I Sa a wektorem napięcia sieci U Sa zmalało do 164º (Rys. 3.2.2.4). Wyznaczone przez analizator THD prądu pobieranego z sieci I S przez układ wytwarzania energii wynosiło 3,5%. Włączenie aktywnego kompensatora spowodowało niewielki wzrost zawartości harmonicznych w prądzie sieci z 2,2% do 3,5%. 56

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE u Sa U DC i Ka i Sa Rys. 3.2.2.9. Badania laboratoryjne; u S - napięcie sieci, i S - prąd pobierany z sieci, i K - prąd kompensatora, U DC -napięcie obwodu pośredniczącego 3.3. Badania układu wytwarzania energii z generatorem indukcyjnym średniej mocy (60kW) - w laboratorium przemysłowym Badania obejmują weryfikacyjne opracowanej metody sterowania kompensatorem energoelektronicznym dla mocy generatora indukcyjnego zbliżonej do mocy małych elektrowni wodnych. Do przeprowadzenia badań wykorzystano zespół prądotwórczy z silnikiem spalinowym (Rys. 3.3.1). Zespół prądotwórczy wykonany został na zlecenie według założeń, do których należały: - moc pozorna przy prędkości 1500obr/min równa około 60kVA - możliwie najszerszy przedział prędkości, w którym charakterystyka moc - prędkość jest liniowa - prędkość silnika spalinowego zadawana przez napięciowe wejście analogowe W zespole prądotwórczym przedstawionym na Rys. 3.3.1 zamontowano maszynę indukcyjną pierścieniową SUg-280M4, której parametry zawarto w Tabeli 3.3.1. Z racji prowadzonych badań dotyczących układów wytwarzania energii z maszynami indukcyjnymi klatkowymi, końce uzwojeń wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej zostały zwarte. 57

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Rys. 3.3.1. Spalinowy zespół prądotwórczy o mocy 60kW przygotowany do badań w laboratorium przemysłowym Tabela 3.3.1. Parametry maszyny indukcyjnej pierścieniowej SUg-280M4 Parametr: Moc znamionowa P N Napięcie znamionowe U N Prąd znamionowy I N Prędkość synchroniczna n S Wartość: 60kW 3 x 400V 109A 1478obr/min Współczynnik mocy cosφ N 0,86 Badania wykonano w laboratorium przemysłowym na terenie firmy Horus-Energia Sp.z.o.o.. Laboratorium przemysłowe firmy Horus-Energia przystosowane jest do badań spalinowych i gazowych zespołów prądotwórczych. Jest ono wyposażone w odpowiednie systemy wentylacji oraz odprowadzania spalin. Laboratorium badawcze posiada obciążnicę rezystancyjną o skokowej regulacji mocy. Pulpit sterowania sekcjami obciążenia wyposażony w urządzenia pomiarowe monitorujące warunki pracy w laboratorium przedstawiono na Rys. 3.3.2. Obciążenie rezystancyjne o przełączanych sekcjach, dostępne w laboratorium przemysłowym, zostało wykorzystane do przeprowadzenia badań zespołu prądotwórczego pracującego w trybie autonomicznym. Ze względu na temat rozprawy doktorskiej wyniki przeprowadzonych badań pracy autonomicznej nie zostały przedstawione. 58

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Rys. 3.3.2. Pulpit sterowniczo-pomiarowy w laboratorium przemysłowym Zgodnie z obowiązującymi przepisami prawnymi, nie jest możliwe oddawanie energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej bez zgody zakładu energetycznego. Firma Horus-Energia, na terenie, której wykonano badania w laboratorium badawczym, nie prowadzi działalności związanej ze sprzedażą energii elektrycznej i nie posiada wymaganych zezwoleń zakładu energetycznego na podłączenie do sieci zespołu prądotwórczego. W związku z powyższym zdecydowano się, że sieć elektroenergetyczna zostanie zamodelowana przez zespół prądotwórczy o dużej mocy. Do przeprowadzenia badań obejmujących pracę generatora indukcyjnego z siecią elektroenergetyczną wykorzystano spalinowy zespół prądotwórczy z generatorem synchronicznym o mocy 500kVA. Zespół prądotwórczy dużej mocy zastępujący sieć elektroenergetyczną przedstawiono na Rys. 3.3.3. Podstawowe parametry generatora synchronicznego P500E2 zainstalowanego w zespole prądotwórczym 500kVA zawarto w Tabeli 3.3.2. Rys. 3.3.3. Zespół prądotwórczy o mocy 500kVA 59

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Tabela 3.3.2. Parametry generatora synchronicznego P500E2 Parametr: Znamionowa moc pozorna Znamionowa moc czynna Napięcie znamionowe Prąd znamionowy Częstotliwość znamionowa Prędkość synchroniczna Wartość: 500kVA 400kW 3 x 400V 722A 50Hz 1500obr/min Współczynnik mocy 0,8 Napięcie fazowe generatora 500kVA pracującego w stanie jałowym posiada wartość skuteczną około 232V i częstotliwość 50Hz (Rys. 3.3.4). W celu uproszczenia dalszego opisu przeprowadzonych badań, przyjęto, że napięcie generatora o mocy 500kVA będzie traktowane jako napięcie sieci elektroenergetycznej i będzie oznaczane symbolem U S, bądź dla wartości chwilowych u S. Za pomocą analizatora jakości energii wykonany został pomiar zawartości harmonicznych w napięciu sieci, który przedstawiono na Rys. 3.3.5. Wyznaczony przez analizator współczynnik zawartości harmonicznych w napięciu sieci THDu S wynosi 1,8%. Pomiar napięcia sieci wskazał niewielką obecność piątej, siódmej oraz jedenastej harmonicznej. u Sa Rys. 3.3.4. Przebieg napięcia generatora 500kVA 60

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Rys. 3.3.5. Zawartość harmonicznych w napięciu generatora 500kVA Ogólny projekt obwodu silnoprądowego aktywnego kompensatora o impulsowym napięciu wyjściowym współpracującego z generatorem indukcyjnym o mocy 60kW jest jednakowy z tym, który posiada kompensator na niższą moc zaprezentowany w Rozdz. 3.2. Różnica pomiędzy układami kompensatorów zaprojektowanymi na moc 7,5kW (Rys. 3.2.2) i 60kW dotyczy wydajności prądowej zastosowanych modułów tranzystorowych, kondensatorów napięcia stałego oraz czujników prądu. Przekształtnikowy kompensator współpracujący z generatorem indukcyjnym o mocy 60kW został zbudowany z wykorzystaniem modułów tranzystorowych z serii SEMITRANS o oznaczeniu SKM300MLI066T. Jest to moduł zawierający tranzystory o nominalnym prądzie kolektora wynoszącym 300A. Magazyn energii obwodu napięcia stałego w przekształtnikowym kompensatorze na moc 60kW zrealizowano jako cztery kondensatory elektrolityczne o pojemnościach 2,2mF i dopuszczalnym napięciu 500V. Kondensatory połączono szeregowo po dwa, a następnie otrzymane gałęzie połączono równolegle. Dopuszczalne napięcie obwodu napięcia stałego wynosi 1000V. Wszystkie połączenia silnoprądowe kompensatora (KI) wykonano przewodami o przekroju 16mm 2. Równolegle z kompensatorem zainstalowano ręcznie sterowaną czterosekcyjną baterię kondensatorów o łącznej mocy około 32,5kVar. Generator indukcyjny o mocy 60kW pobiera z sieci moc bierną indukcyjną wynoszącą około 36kVar. Znamionowy prąd generatora 60kW wynosi 109A a jego składowa bierna około 52A. Do pomiaru prądu oddawanego do sieci i S zawierającego składową czynną i bierną wykorzystano czujniki LEM HTR-300SB. Pomiar prądu i K posiadającego głównie składową bierną wykonano przy pomocy czujników LEM LA100-P. 61

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Do sterowania aktywnym kompensatorem (KI) wykorzystany został procesor DSP TMS320F28335 firmy Texas Instruments [T9]. Dla układu TMDSEZ28335 zawierającego mikroprocesor TMS320F28335 zbudowana została płytka bazowa, którą przedstawiono na Rys. 3.2.2.f. Główne zadania realizowane przez płytkę bazową omówiono w Rozdz. 3.2. Do wyzwalania tranzystorów wykorzystano sterowniki firmy Semikron o oznaczeniu SKHI22B. Sterownik ten przeznaczony jest do wyzwalania dwóch tranzystorów, zapewnia wytworzenie czasów martwych oraz monitoruje napięcia nasycenia kolektor-emiter U CE(sat) tranzystorów. Czasy martwe załączenia tranzystorów (ang. Deadtime) zostały ustawione za pomocą sterownika SKHI22B na 1,3µs. Schemat blokowy układu wytwarzania energii z generatorem indukcyjnym o średniej mocy przedstawiono na Rys. 3.3.6. Sterowanie aktywnego kompensatora mocy biernej (KI) omówiono w rozdziale 2.5. Stanowisko badawcze z przekształtnikowym kompensatorem mocy biernej ustawione w laboratorium przemysłowym firmy Horus-Energia przedstawiono na Rys. 3.3.7. Spalinowy zespół prądotwórczy o mocy 60kW przygotowany do prowadzenia badań przedstawiono na Rys. 3.3.1. Wykaz podstawowych elementów, wchodzących w skład stanowiska, zamieszczono w Tabeli 3.3.3. Wyniki badań układu laboratoryjnego zarejestrowane zostały z wykorzystaniem oscyloskopu TDS 5034B firmy Tektronix i analizatora mocy 434 firmy Fluke. Zespół Prądotwórczy (60kW) Silnik Spalinowy Generator Indukcyjny (GI) Wał I S Zespół Prądotwórczy (500kW) Generator Synchroniczny (GS) Wał Silnik Spalinowy n I S U S n n* Bateria Kondensatorów (B) C B I K L K Sterownik Silnika Spalinowego Przekształtnikowy Kompensator Mocy (KI) C G C D I K U DC Kontroler DSP Przekształtnika Przetworniki Pomiarowe Rys. 3.3.6. Schemat blokowy układu wytwarzania energii z przekształtnikowym kompensatorem mocy biernej 62

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Rys. 3.3.7. Przekształtnikowy kompensator mocy biernej wraz z aparaturą pomiarową w laboratorium przemysłowym Tabela 3.3.3. Wykaz parametrów i podstawowych elementów układu laboratoryjnego Symbol Wartości Opis f s 10 4 Hz częstotliwość łączeń f syg 50Hz częstotliwość sygnału zadanego DT 1,3 10 6 s czas martwy w sygnałach sterujących tranzystorami SVPWM - modulacja wektorowa U CE 1,7V spadek napięcia na łączniku półprzewodnikowym w stanie przewodzenia T samp 10 4 s okres próbkowania sygnałów i obliczeń regulatora U Sp 3 x 400V napięcie przewodowe sieci elektroenergetycznej f 50Hz częstotliwość sieci elektroenergetycznej L K 1,7mH indukcyjność dławika obwodu wyjściowego C G, C D 4400μF pojemność każdej z połów obwodu pośredniczącego U DC 570V napięcie obwodu pośredniczącego Ro CG, Ro CD 100kΩ rezystancja obciążenia każdej z połów obwodu pośredniczącego C B 60μF pojemność kondensatorów baterii Zastosowana bateria kondensatorów (B) (Rys. 3.3.6) pełni rolę źródła mocy biernej oraz filtra wygładzającego napięcie. Pojemność kondensatorów baterii (B) wynosiła C B = 60µF, co odpowiada mocy biernej wynoszącej około 9,0kVar (przy napięciu 3 x 400V). 63

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Bateria kondensatorów odpowiada 25% zapotrzebowania generatora na moc bierną w warunkach pracy znamionowej. Znamionowa moc bierna badanego generatora wynosi około 35,6kVar. Układ równolegle połączonego przekształtnikowego kompensatora mocy biernej (KI) z baterią kondensatorów (B) nazwano hybrydowym kompensatorem mocy biernej. Na Rys 3.3.8 3.3.11 przedstawiono przebiegi napięcia generatora u Ga, prądu przekształtnikowego kompensatora mocy biernej i Ka oraz prądu pobieranego z sieci i Sa zarejestrowane w stanach ustalonych. Przebiegi zarejestrowano dla przypadków, gdy oddawana moc czynna wynosiła około 15kW (Rys. 3.3.8), 30kW (Rys. 3.3.9), 45kW (Rys. 3.3.10) oraz 60kW (Rys. 3.3.11). u Ga i Sa i Ka Rys. 3.3.8. Przebiegi czasowe napięcia generatora u Ga, prądu sieci i Sa oraz prądu przekształtnikowego kompensatora i Ka dla zadanej mocy czynnej równej 15kW u Ga i Sa i Ka Rys. 3.3.9. Przebiegi czasowe napięcia generatora u Ga, prądu sieci i Sa oraz prądu przekształtnikowego kompensatora i Ka dla zadanej mocy czynnej równej 30kW 64

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE u Ga i Sa i Ka Rys. 3.3.10. Przebiegi czasowe napięcia generatora u Ga, prądu sieci i Sa oraz prądu przekształtnikowego kompensatora i Ka dla zadanej mocy czynnej równej 45kW u Ga i Sa i Ka Rys. 3.3.11. Przebiegi czasowe napięcia generatora u Ga, prądu sieci i Sa oraz prądu przekształtnikowego kompensatora i Ka dla zadanej mocy czynnej równej 60kW W celu weryfikacji pracy układu wytwarzania energii z generatorem indukcyjnym oraz hybrydowym kompensatorem mocy biernej wykonano pomiary mocy za pomocą analizatora jakości energii (Rys. 3.3.12). Z uzyskanych wyników pomiarowych w punkcie przyłączenia układu do sieci elektroenergetycznej (siec zamodelowana przez zespół prądotwórczy 500kVA) wynika że układ oddaje do sieci 58,41kW, natomiast moc bierna wynosi 0,84kVar o charakterze indukcyjnym. Współczynnik mocy tanφ wynosi dla tego przypadku 0,014. Na Rys. 3.3.13 przedstawiono wektorowe napięcia i prądy sieci dla układu z włączoną hybrydową kompensacją mocy. Za pomocą analizatora jakości energii, dokonano pomiaru zawartości harmonicznych w prądzie sieci I S, która wynosi 7,5% (Rys. 3.3.14). 65

ROZDZIAŁ 3. BADANIA LABORATORYJNE Rys. 3.3.12. Badania laboratoryjne mocy - układ z włączoną hybrydową kompensacją mocy U Sc I Sb U Sa I Sa U Sb I Sc Rys. 3.2.13. Badania laboratoryjne: wektorowe napięcia i prądy sieci - włączona hybrydowa kompensacja Rys. 3.3.14. Zawartość harmonicznych w prądzie sieci I S 66