STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKIEM AC/DC W INTERFEJSIE ENERGOELEKTRONICZNYM DLA MIKROINSTALACJI PROSUMENCKIEJ

Podobne dokumenty
Badania przekształtnika sieciowego w prosumenckiej mikroinfrastrukturze energetycznej w stanach statycznych i dynamicznych

Funkcjonalności realizowane w przekształtniku sieciowym AC/DC, przeznaczonym dla prosumenckiej mikroinfrastruktury energoelektrycznej PME

Koncepcja interfejsu energoelektronicznego dla mikroinstalacji prosumenckiej

Układy energoelektroniczne na osłonach kontrolnych rynku horyzontalno- wertykalnego

Analiza wpływu źródeł PV i akumulatorów na zdolności integracyjne sieci nn dr inż. Krzysztof Bodzek

Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Elektryczny

MODEL SYMULACYJNY ENERGOELEKTRONICZNEGO ZASILACZA AWARYJNEGO UPS O STRUKTURZE TYPU VFI

MODEL SYMULACYJNY JEDNOFAZOWEGO PROSTOWNIKA DIODOWEGO Z MODULATOREM PRĄDU

MODEL SYMULACYJNY ENERGOELEKTRONICZNEGO STEROWANEGO ŹRÓDŁA PRĄDOWEGO PRĄDU STAŁEGO BAZUJĄCEGO NA STRUKTURZE BUCK-BOOST CZĘŚĆ 2

AC/DC. Jedno połówkowy, jednofazowy prostownik

Badania symulacyjne zdolności integracyjnych zautomatyzowanej infrastruktury sieciowej SN/nN dr inż. Krzysztof Bodzek

Przekształtniki impulsowe prądu stałego (dc/dc)

PRZYSTOSOWANIE TRÓJFAZOWEGO PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI DO ZASILANIA SILNIKA PRĄDU STAŁEGO Z SIECI AC

REGULATOR NAPIĘCIA DC HYBRYDOWEGO ENERGETYCZNEGO FILTRU AKTYWNEGO DC BUS VOLTAGE CONTROLLER IN HYBRID ACTIVE POWER FILTER

Zdjęcia Elektrowni w Skawinie wykonał Marek Sanok

Przekształtniki napięcia stałego na stałe

Dobór współczynnika modulacji częstotliwości

BEZPRZEPIĘCIOWE STEROWANIE IMPULSOWE REGULATORA NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO

Wpływ mikroinstalacji na pracę sieci elektroenergetycznej

Badanie obwodów z prostownikami sterowanymi

Przegląd topologii i strategii sterowania układów do poprawy jakości energii elektrycznej UPQC

ANALOGOWE I MIESZANE STEROWNIKI PRZETWORNIC. Ćwiczenie 3. Przetwornica podwyższająca napięcie Symulacje analogowego układu sterowania

PLAN PREZENTACJI. 2 z 30

ANALIZA PRACY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W WARUNKACH ZAPADU NAPIĘCIA

Stabilizatory impulsowe

Przetwornica SEPIC. Single-Ended Primary Inductance Converter z przełączanym jednym końcem cewki pierwotnej Zalety. Wady

Prostowniki. Prostownik jednopołówkowy

Koncepcja prosumenckiej mikroinstalacji energetycznej (PME) wg ilab EPRO

Zarządzanie energią i regulacja mocy w prosumenckiej mikroinfrastrukturze energetycznej

PSPower.pl. PSPower MULTIFAL (Basic ; PV)

Przekształtniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej (sieciowej) - podstawy

Sterowanie mocą i energią na rynku energii elektrycznej w osłonie kontrolnej OK4 +

PL B1. C & T ELMECH SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Pruszcz Gdański, PL BUP 07/10

STANOWISKO DO BADANIA DŁAWIKÓW DLA NAPĘDÓW

LAMPY WYŁADOWCZE JAKO NIELINIOWE ODBIORNIKI W SIECI OŚWIETLENIOWEJ

Elektroniczne Systemy Przetwarzania Energii

PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 10/16. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL PATRYK STRANKOWSKI, Kościerzyna, PL

BADANIA SYMULACYJNE PROSTOWNIKA PÓŁSTEROWANEGO

Sposoby poprawy jakości dostawy energii elektrycznej

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 14/12

Wzmacniacz jako generator. Warunki generacji

Ćwiczenie nr 05 1 Oscylatory RF Podstawy teoretyczne Aβ(s) 1 Generator w układzie Colpittsa gmr Aβ(S) =1 gmrc1/c2=1 lub gmr=c2/c1 gmr C2/C1

W4. UKŁADY ZŁOŻONE I SPECJALNE PRZEKSZTAŁTNIKÓW SIECIOWYCH (AC/DC, AC/AC)

MODEL SYMULACYJNY I EKSPERYMENTALNY PRZEKSZTAŁTNIKA SOLARNEGO WSPÓŁPRACUJĄCEGO Z SIECIĄ ENERGETYCZNĄ

Część 2. Sterowanie fazowe

[RAPORT zapowiedź] CHARAKTźRYSTYKI OBCIĄ źnia TYPOWYCH ODBIORNIKÓW źnźrgii W GOSPODARSTWACH DOMOWYCH Jarosław Michalak*, Marcin Zygmanowski*

Sławomir CIEŚLIK Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Stowarzyszenie Elektryków Polskich, Oddział w Bydgoszczy

Wykorzystanie farm wiatrowych do operatywnej regulacji parametrów stanów pracy sieci dystrybucyjnej 110 kv

ZE ZWROTEM ENERGII DO SIECI

41 Przekształtniki napięcia przemiennego na napięcie stałe - typy, praca prostownika sterowanego

Generatory. Podział generatorów

5 Filtry drugiego rzędu

f r = s*f s Rys. 1 Schemat układu maszyny dwustronnie zasilanej R S T P r Generator MDZ Transformator dopasowujący Przekształtnik wirnikowy

Energetyka Prosumencka w Wymiarach Zrównoważonego Rozwoju. SYMULATOR HYBRYDOWY KLASTRA ENERGETYCZNEGO Krzysztof Bodzek

Spis treści 3. Spis treści

Kompensacja zaburzeń JEE Statcom i DVR Szkolenie Tauron Dystrybucja Kraków AGH 2018

PRZEKSZTAŁTNIK ENERGOELEKTRONICZNY PEŁNIĄCY FUNKCJĘ SPRZĘGU MIĘDZY SIECIĄ ENERGETYCZNĄ A ZESPOŁEM PANELI FOTOWOLTAICZNYCH PV

PL B1. GRZENIK ROMUALD, Rybnik, PL MOŁOŃ ZYGMUNT, Gliwice, PL BUP 17/14. ROMUALD GRZENIK, Rybnik, PL ZYGMUNT MOŁOŃ, Gliwice, PL

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

(54) Filtr aperiodyczny

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Sterowanie napędów i serwonapędów elektrycznych

TRÓJFAZOWY PRZEKSZTAŁTNIK MOCY AC/DC

B O O K E R I N F O 1

PORÓWNANIE WYBRANYCH ALGORYTMÓW STEROWANIA TRÓJFAZOWEGO RÓWNOLEGŁEGO FILTRU AKTYWNEGO

PN-EN :2012

12. Zasilacze. standardy sieci niskiego napięcia tj. sieci dostarczającej energię do odbiorców indywidualnych

TRÓJFAZOWY RÓWNOLEGŁY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY ZE Z ZMODYFIKOWANYM ALGORYTMEM STEROWANIA OPARTYM NA TEORII MOCY CHWILOWEJ

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Odkształcenie napięć i pradów

PL B1. Sposób i układ tłumienia oscylacji filtra wejściowego w napędach z przekształtnikami impulsowymi lub falownikami napięcia

Wykaz symboli, oznaczeń i skrótów

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13

42 Przekształtniki napięcia stałego na napięcie przemienne topologia falownika napięcia, sterowanie PWM

Część 4. Zmiana wartości napięcia stałego. Stabilizatory liniowe Przetwornice transformatorowe

ROZPŁYW ZABURZEŃ GENEROWANYCH PRZEZ CZTEROKWADRANTOWE PRZEMIENNIKI CZĘSTOTLIWOŚCI W SIECIACH LOKALNYCH NISKICH NAPIĘĆ

DANE: wartość skuteczna międzyprzewodowego napięcia zasilającego E S = 230 V; rezystancja odbiornika R d = 2,7 Ω; indukcyjność odbiornika.

Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych

Odbiorniki nieliniowe problemy, zagrożenia

Pomiary napięć i prądów zmiennych

PL B1. Układ falownika obniżająco-podwyższającego zwłaszcza przeznaczonego do jednostopniowego przekształcania energii

REGULATORY MOCY BIERNEJ DLA SYMETRYCZNYCH I ASYMETRYCZNYCH OBCIĄŻEŃ

Poprawa jakości energii i niezawodności. zasilania

Wzmacniacze operacyjne

PL B1. Sposób regulacji prądu silnika asynchronicznego w układzie bez czujnika prędkości obrotowej. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL

Eliminacja wpływu napędów dużych mocy na sieć zasilającą

Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

Przekształtniki DC/DC

OPIS PRZEDMIOTU ZAMÓWIENIA

Podzespoły i układy scalone mocy część II

- Przetwornica (transformator): służy do przemiany prądu zmiennego na stały (prostownik);

PL B1. UNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE, Olsztyn, PL BUP 26/15. ANDRZEJ LANGE, Szczytno, PL

JEDNOFAZOWY PRZEKSZTAŁTNIK MOCY AC/DC Z DWUKIERUNKOWYM PRZEPŁYWEM ENERGII

Tyrystorowy przekaźnik mocy

Porównanie uzysku energetycznego z użyciem falownika centralnego i mikrofalowników

Stanowisko do badania filtrów dla napędów prądu przemiennego

STABILIZATORY NAPIĘCIA STAŁEGO. 1. Wiadomości wstępne

MODEL SYMULACYJNY I EKSPERYMENTALNY ZASILACZA UPS Z MOŻLIWOŚCIĄ AKTYWNEJ KOMPENSACJI RÓWNOLEGŁEJ

OBSZARY BADAŃ NAUKOWYCH

OCENA PARAMETRÓW JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ DOSTARCZANEJ ODBIORCOM WIEJSKIM NA PODSTAWIE WYNIKÓW BADAŃ

POPRAWA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM ŚREDNIEGO NAPIĘCIA POPRZEZ JEGO ZASILANIE Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

Transkrypt:

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) 139 Grzegorz Jarek, Michał Jeleń, Jarosław Michalak, Marcin Zygmanowski Politechnika Śląska, Gliwice STEROWANIE PRZEKSZTAŁTNIKIEM AC/DC W INTERFEJSIE ENERGOELEKTRONICZNYM DLA MIKROINSTALACJI PROSUMENCKIEJ CONTROL OF AC/DC CONVERTER FOR POWER ELECTRONIC INTERFACE FOR PROSUMER MICRO-GRIDS Streszczenie: Artykuł dotyczy interfejsu energoelektronicznego, przeznaczonego dla mikroinstalacji prosumenckich. Rozwiązanie to pozwala na integrację po stronie szyny DC różnych źródeł energii odnawialnej i zasobnika energii oraz umożliwia pracę w trybie on-grid (współpraca z siecią elektroenergetyczną) lub w trybie off-grid (praca na sieć wydzieloną). Z punktu widzenia współpracy z siecią i zasilania odbiorników napięcia przemiennego najważniejszą rolę pełni przekształtnik AC/DC. W artykule omówiono możliwości i działanie interfejsu energoelektronicznego, a następnie skupiono się na zagadnieniach sterowania poszczególnymi przekształtnikami składowymi. Szczególną uwagę poświęcono zagadnieniu sterowania przekształtnika AC/DC, w którym występuje zmiana strategii sterowania w zależności od warunków pracy. Omówiono poszczególne strategie sterowania przekształtnika AC/DC, przeznaczone odpowiednio dla: współpracy z siecią przy występowaniu zasobnika, współpracy z siecią przy braku zasobnika oraz dla pracy na sieć wydzieloną. Przedstawiono algorytm sterowania, a działanie przekształtnika AC/DC zilustrowano wynikami badań symulacyjnych. Abstract: The paper presents power electronic interface destined for prosumers micro-/nano-grids. The presented interface allows integrating different renewable energy sources and energy storages in to the single DC link circuit which is the internal part of the analyzed interface. Presented system enables the operation in two modes. The first is the on-grid mode when the interface is connected to the power grid and the second is the off-grid mode when the interface and prosumer micro-grid are disconnected from the grid and operate in the island mode. One of the major part of the analyzed power electronic interface is the AC/DC converter which is referred here as a grid converter. The paper deals with the operational issues of the interface with focusing on the control of all converters which form the interface. The special attention is paid on control method of the AC/DC converter, which has to be changeable due to the operation of the interface in different modes. Three AC/DC converter control strategies are described here, among which two represent on-grid modes and one is for off-grid operation. The first strategy from the on-grid modes is for the interface with the energy storage but the second is for the interface without this storage. In the third strategy the AC/DC converter operates in islanding mode. The changeable structure of the AC/DC converter controller is illustrated with simulation examples for all three modes. Słowa kluczowe: prosumencka mikroinfrastruktura elektroenergetyczna (PME), przekształtnik AC/DC, interfejs energoelektroniczny, przekształtnik 4-gałęziowy, mikro- i nanoinstalacje Keywords: prosumer electrical micro-infrastructure, AC/DC converter, power electronic interface,4 leg converter, micronano grids 1. Wstęp Odbiorcy energii elektrycznej coraz częściej decydują się na instalowanie odnawialnych źródeł energii (OZE), przez co wzrasta udział źródeł OZE w bilansie mocy w systemie elektroenergetycznym. Zwiększenie liczby źródeł OZE jest zjawiskiem pożądanym, ale może również prowadzić do negatywnych efektów, takich jak np. zmiana profilu zasilania [1]. Zapobieganie tym zjawiskom wymaga instalowania u odbiorców odpowiednich urządzeń, które potrafią nie tylko dostarczać energię do sieci, ale i sprawnie zarządzać jej zużyciem we własnych odbiornikach, czy nawet reagować na występujące w systemie nadwyżki lub niedostatki energii. Możliwość zarządzania energią prowadzi do zwiększenia świadomości dotyczącej produkcji i zużycia energii u odbiorców, którzy poprzez to stają się prosumentami. W artykule przedstawiono interfejs energoelektroniczny przeznaczony dla prosumenckich mikroinfrastruktur elektroenergetycznych PME, którego głównym zadaniem jest realizacja funk-

140 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) cji związanych z zarządzaniem energią oraz zwiększeniem niezawodności zasilania. Interfejs energoelektroniczny integruje poszczególne podzespoły (przekształtniki) za pomocą obwodu napięcia stałego. W odróżnieniu od dostępnych rozwiązań, np. Flexible Storage System firmy SMA [2], dzięki integracji OZE i zasobnika po stronie DC uzyskuje się tańszy i bardziej kompaktowy system, zintegrowany z instalacją domową w punkcie przyłączenia do sieci. Interfejs energoelektroniczny, dzięki zastosowaniu nadrzędnego sterownika o odpowiednim oprogramowaniu, pozwala na takie sterowanie odbiornikami, dzięki któremu można zmaksymalizować zysk prosumenta [3]. 2. Interfejs energoelektroniczny Schemat energoelektronicznego interfejsu PME przedstawiono na rysunku 1. W jego skład wchodzi zestaw przekształtników podłączonych do wspólnej szyny napięcia stałego o wartości 650 V (dla rozwiązania trójfazowego). Interfejs energoelektroniczny ma budowę modułową z opcjonalnym występowaniem poszczególnych przekształtników. Do podłączania źródeł OZE do wspólnego obwodu DC służą: przekształtnik solarny (panele fotowoltaiczne PV) i przekształtnik wiatrowy (mikroturbiny wiatrowe µtw). Rolą tych przekształtników jest jak najlepsze wykorzystanie energii ze źródeł OZE. Pracują one z algorytmem poszukiwania maksymalnej mocy (MPPT), z możliwością jej ograniczenia. Współpracę z zasobnikiem zapewnia dwukierunkowy przekształtnik zasobnikowy DC/DC, którego rolą jest utrzymywanie stałej wartości napięcia w obwodzie DC. Pośrednio zapewnia on więc bilansowanie mocy w całym interfejsie. Dzięki zastosowaniu przekształtnika zasobnikowego w interfejsie możliwe jest lepsze wykorzystanie energii ze źródeł OZE, poprzez ograniczenie wymiany mocy z siecią. W interfejsie przewidziano również zasilanie odbiorników prądu stałego, do czego służy przekształtnik odbiornikowy. Liczba takich przekształtników oraz poziomy ich napięć wyjściowych i moc dostosowywana jest do konkretnych potrzeb prosumenta. Aktualnie rola takich przekształtników jest ograniczona, ale uwzględniając, że większość domowych odbiorników energii jest w rzeczywistości odbiornikami napięcia stałego dopasowanymi do pracy w sieci prądu przemiennego, przewiduje się rozwój takich rozwiązań. Rys. 1. Schemat energoelektronicznego interfejsu dla instalacji PME Wszystkie opisane wcześniej przekształtniki są opcjonalne, przy czym w interfejsie wymagana jest obecność co najmniej jednego przekształtnika do współpracy ze źródłami OZE. Aby umożliwić połączenie między siecią prądu przemiennego a wspólnym obwodem napięcia stałego, w interfejsie energoelektronicznym wymagane jest zastosowanie przekształtnika sieciowego AC/DC. Z punktu widzenia zasilania odbiorników prądu przemiennego i bilansowania mocy w punkcie przyłączenia rola tego przekształtnika jest najważniejsza. Ze względu na pracę w trybach on-grid i off-grid przekształtnik sieciowy musi charakteryzować się zmienną strategią sterowania, zależną od warunków pracy interfejsu. 3. Przekształtnik sieciowy AC/DC Podstawową funkcją przekształtnika AC/DC jest dwukierunkowe przekazywanie energii między obwodami napięcia przemiennego i napięcia stałego [4]. Obwody mocy analizowanego trójfazowego przekształtnika sieciowego AC/DC pokazano na rysunku 2. W przedstawionym przekształtniku wykorzystano rozwiązanie czterogałęziowe [5], które pozwala na niezależne kształtowanie prądu w każdej fazie.

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) 141 Sieć zasilająca Wyłącznik sieciowy Odbiorniki prądu przemiennego Filtr sieciowy LC Czterogałęziowy przekształtnik sieciowy Obwód DC i S i O u dc ZAŁ. / WYŁ. C F L F i F L N i N Rys. 2. Schemat obwodów głównych przekształtnika AC/DC w wersji trójfazowej czterogałęziowej Przekształtnik podłączony jest bezpośrednio do obwodu DC interfejsu sieciowego. Obwody wejściowe są podłączone do sieci poprzez filtr dolnoprzepustowy LC. Dławiki wejściowe służą do kształtowania prądów fazowych (ograniczanie zmian prądów przy zmianach potencjałów każdej z faz w przekształtniku). Podobną funkcję ma dławik w przewodzie neutralnym, przy czym ma on wartość L N = 2/3L F. Kondensatory są niezbędne w przypadku pracy wyspowej (tryb off-grid), gdzie wymagana jest niska zawartość tętnień pochodzących od przełączeń tranzystorów w napięciu wyjściowym. W przypadku pracy on-grid (współpraca z siecią) kondensatory poprawiają tłumienie tych tętnień w prądach. Do odłączenia od sieci instalacji prosumenta (odbiorników prądu przemiennego) wykorzystywany jest wyłącznik sieciowy w postaci stycznika. Przedstawiony na rysunku 2 przekształtnik dwupoziomowy wykorzystuje moduły IGBT o topologii mostka H. Topologia ta umożliwia wykorzystanie identycznych modułów w wersji jedno- i trójfazowej, co jest atutem z punktu widzenia produkcji rozwiązania docelowego. Specyfika wymaga w takim przypadku jedynie zmian napięcia obwodu pośredniczącego. Ze względu na potrzebę kształtowania napięcia na zaciskach odbiorników (tryb off-grid) lub prądu wejściowego (tryb on-grid) przekształtnik sieciowy wykorzystuje jako sprzężenia zwrotne różne wielkości występujące w układzie, takie jak: napięcie obwodu pośredniczącego u DC, trzy napięcia i prądy odbiorników prądu przemiennego u O i i O, trzy prądy przekształtnika i F oraz trzy napięcia sieci u S, niezbędne do określenia zapadu napięcia. 4. Algorytm sterowania przekształtnika Przekształtnik sieciowy AC/DC może pracować w dwóch zasadniczych trybach: współpracy z siecią (on-grid) i pracy wyspowej (off-grid), z wyróżnionymi trzema strategiami sterowania. Strategia I pracy przekształtnika obowiązuje, gdy przekształtnik sieciowy i odbiorniki są odłączone od sieci (tryb off-grid). W tym trybie wymagana jest praca przekształtnika zasobnikowego utrzymującego stałe napięcie w obwodzie DC. Gdy przekształtnik zasobnikowy występuje w interfejsie przy współpracy z siecią (tryb on-grid), przekształtnik sieciowy pracuje zgodnie ze strategią II (kształtowanie zadanych profili mocy czynnej i biernej). Gdy interfejs nie jest wyposażony w przekształtnik zasobnikowy lub doszło do jego wyłączenia, przekształtnik AC/DC rozpoczyna pracę z III strategią sterowania. Układ sterowania przekształtnika AC/DC pokazano na rysunku 3. W zależności od strategii sterowania w przekształtniku AC/DC kontrolowane są różne wielkości: w strategii I (off-grid, przekształtnik zasobnikowy) kontrolowane są składowe d, q napięcia odbiornika (u Od i u Oq ), przy wewnętrznej generacji położenia wektora napięcia odbiornika (γ O ), w strategii II (on-grid, przekształtnik zasobnikowy) kontrolowana jest zadana moc czynna i bierna (składowe d i q prądu w punkcie przyłączenia do sieci i Sd i i Sq ) oraz ograniczany jest negatywny wpływ prądów odbiorników i O na sieć,

142 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) w strategii III (on-grid, brak przekształtnika zasobnikowego) kontrolowane jest napięcie obwodu DC oraz zadana moc bierna w punkcie przyłączenia do sieci. Dodatkowo, jak w strategii II ograniczany jest negatywny wpływ prądów odbiorników i O na sieć. ZAS i S Odbiorniki O u S WS u i O O α,β d,q i Od i Oq PLL γ O i O α,β d,q u Od u Oq FILTR Strat. i F Przekształnik AC-DC u FZα Modulator i FZα α,β WPRP Reg (u Od ) i Sdreq u Od u FZβ i FZβ C DC u DC γ O i FZd i Od d,q i FZq i Oq i SZd - + + - i SZq III Reg (u DC ) u DC i F II I III i Sqreq II I Reg (u Oq ) u Oq Rys. 3. Schemat blokowy algorytmu sterowania przekształtnika sieciowego AC/DC Niezależnie od strategii sterowania w układzie wymagana jest realizacja zadanych wartości prądów fazowych przekształtnika. Odbywa się to w wewnętrznej pętli regulacji WPRP, która bazuje na algorytmie predykcyjnym. Dzięki odpowiednim algorytmom kształtowania prądu możliwa jest redukcja harmonicznych prądu spowodowanych zasilaniem odbiorników nieliniowych. Redukcja wpływu odbiorników na sieć jest realizowana przez bezpośrednie odjęcie od zadanych składowych prądów sieci i SZd i i SZq powstających w nadrzędnych pętlach regulacji, składowych prądu odbiornika i Od i i Oq. W strategii I dynamika ta pozwala zmniejszyć wpływ odbiorników niesymetrycznych i nieliniowych na odkształcenia napięć. 5. Praca przekształtnika sieciowego w poszczególnych strategiach sterowania W strategii sterowania I w układzie regulacji sygnał zadany powstaje w oparciu o zmierzone prądy odbiornika oraz sygnały zadane z regulatorów PI stabilizujących składowe napięcia odbiornika u Od i u Oq. Działanie przekształtnika sieciowego w tej strategii pokazano na rys. 4, przy założeniu stabilizacji napięcia obwodu DC przez przekształtnik zasobnikowy. Do chwili t = 20 ms przekształtnik AC/DC współpracuje z siecią (strategia sterowania II) przy zasilaniu trójfazowego odbiornika RL o niewielkiej niesymetrii. Dla t = 20 ms następuje odłączenie instalacji PME od sieci i przejście do pracy wyspowej. Dla t = 40 ms następuje przełączenie zasilania na odbiornik rezystancyjny jednofazowy relatywnie dużej mocy, a dla t = 80 ms zasilany jest odbiornik nieliniowy, niesymetryczny w postaci równoległego połączenia prostownika 6- i 3-pulsowego, obciążonych rezystorami. Wskaźnikiem potwierdzającym poprawność pracy przekształtnika AC/DC są kształty napięć odbiorników. W chwili przełączenia na pracę wyspową praktycznie nie obserwuje się w nich stanu przejściowego. Niewielki stan przejściowy występuje w chwili przełączenia na odbiornik jednofazowy, jednak asymetrie napięcia (w stosunku do asymetrii prądu) są silnie ograniczone. W przypadku zasilania odbiornika nieliniowego niesymetrycznego napięcie ulega odkształceniu, przy czym jest to widoczne w chwilach komutacji diod w prostowniku. Współczynnik THD na-pięcia odbiorników jest na poziomie 3%. W trybie on-grid ze strategią sterowania II układ regulacji generuje prądy odbiornika oraz zadaną moc czynną i bierną, pochodzące ze sterownika nadrzędnego. Na podstawie tych mocy wyznaczane są składowe prądów sieci i SZd i i SZq. Dzięki uwzględnieniu w algorytmie sterowania sprzężeń od prądów odbiornika, każda zmiana tych prądów jest szybko kompensowana. Możliwe jest takie sterowanie przekształtnikiem, aby utrzymać zerową wartość mocy w punkcie przyłączenia (niezależnie od obciążenia) lub niezależne kształtowanie profili mocy czynnej i biernej. Działanie przekształtnika AC/DC w II strategii sterowania pokazano na rysunku 5. Odbiorniki pracują w takim samym cyklu pracy jak to opisano dla strategii I. Na rysunku 5 pokazano pracę przy zmianach zadanych mocy w punkcie przyłączenia oraz zmianach obciążenia. Do t = 20 ms przekształtnik AC/DC pracuje z zerową mocą zadaną (moc czynna dostarczana do odbiorników generowana jest w interfejsie). Dla czasu t = 20-60 ms przekształtnik AC/DC pracuje z ujemną wartością zadaną mocy czynnej (zwrot energii do sieci).

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) 143 Rys. 4. Przebiegi napięcia i prądu odbiornika dla trybu on-grid (t < 20ms) i off-grid, odbiornik trójfazowy (20ms < t < 40ms), jednofazowy (t < 80ms) i nieliniowy, niesymetryczny (t > 80ms) Rys. 5. Przebiegi prądu odbiornika, sieci oraz napięcia i prądu jednej fazy dla strategii II, warunki: t < 20 ms i t > 100 ms - praca z zerową mocą czynną, 20 ms <t < 60 ms - praca z zadaną mocą czynną, 60 ms <t < 100 ms - praca z zadaną mocą bierną, cykl pracy odbiornika jak na rys. 4 Przekształtnik realizuje zadaną moc czynną mimo zmian charakteru odbiorników. W chwili przełączania odbiorników pojawia się szybko tłumione zaburzenie. Zauważyć można, że przekształtnik równocześnie symetryzuje prądy odbiorników. Dla czasu t = 80-100 ms przekształtnik AC/DC pracuje z zadaną mocą bierną pojemnościową. Od chwili t = 80 ms oprócz symetryzacji przekształtnik realizuje eliminację harmonicznych prądu odbiornika. Można zauważyć, że nadal realizowana jest zadana wartość mocy w punkcie przyłączenia, a impulsowe zmiany prądu sieci wynikają z dużej dynamiki zmian prądu odbiornika. Dla czasu t > 100 ms przekształtnik pracuje z zerową mocą zadaną. Pokazane na rysunku 5 przebiegi potwierdzają niezależną możliwość kształtowania profili mocy w punkcie przyłączenia oraz eliminację negatywnego wpływu odbiorników w strategii sterowania II. W strategii sterowania III nadrzędnym zadaniem układu regulacji przekształtnika AC/DC jest kontrola napięcia w obwodzie DC. Prowadzi to do bilansowania mocy w obwodzie DC z uwzględnieniem wpływu źródeł OZE oraz odbiorników prądu stałego. Dodatkowo przekształtnik AC/DC generuje zadaną wartość mocy biernej oraz ogranicza negatywny wpływ odbiorników na sieć. Przy projektowaniu układu regulacji napięcia DC ważne jest, aby jego działanie nie wpływało zbyt aktywnie na prąd sieci, szczególnie w przypadku odbiorników niesymetrycznych.

144 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) Rys. 6. Przebiegi prądu odbiornika, prądu sieci oraz napięcia i prądu jednej fazy dla strategii III, moce zadane: 60 ms <t < 100 ms - praca z zadaną mocą bierną, cykl pracy odbiornika jak na rys. 4 W tym celu można zastosować regulator PI z nieliniowym wzmocnieniem. Wzmocnienie w regulatorze powinno być duże przy dużych wartościach błędów regulacji (szybka korekta napięcia DC w stanach nieustalonych), natomiast małe dla małych błędów regulacji (nie wzmacniać 100 Hz tętnień w napięciu spowodowanych niesymetrią odbiorników). Działanie przekształtnika sieciowego dla strategii III pokazano na rysunku 6.Cykl zmian prądu odbiornika jest taki jak dla strategii I, a dla czasu 60 ms <t < 100 ms zadana została moc bierna. Do t = 20 ms interfejs współpracuje z zasobnikiem, a przekształtnik sieciowy realizuje zerową moc czynną w punkcie przyłączenie (strategia sterowania II). Następnie przekształtnik zasobnikowy zostaje wyłączony, a przekształtnik AC/DC przechodzi do pracy ze strategią sterowania III, co powoduje uwzględnienie regulacji napięcia DC w algorytmie sterowania. Prąd sieci zależy w tym przypadku od bilansu mocy między produkcją w źródłach OZE, a mocą odbiorników. Do czasu t = 40 ms zasilany jest odbiornik liniowy o niewielkiej asymetrii, po procesie przejściowym związanym z zmianą strategii sterowania prąd sieci staje się quasi-sinusoidalny. W chwili przełączenia na odbiornik jednofazowy (t = 40 ms) w napięciu obwodu DC pojawiają się oscylacje o częstotliwości 100 Hz, przenoszące się na kształt prądu sieci. W przypadku, gdyby zasilanie odbiornika niesymetrycznego trwało dłużej, dzięki nieliniowemu regulatorowi PI napięcia DC, składowa 100 Hz w prądzie sieci zostałaby wytłumiona. Zadanie skokowej zmiany mocy biernej (t = 60 ms) powoduje pojawienie się kolejnego stanu przejściowego, w którym oprócz generacji mocy biernej nadal występują oscylacje w prądzie sieci. Zasilanie odbiornika nieliniowego o mniejszej niesymetrii powoduje tętnienia w napięciu DC o wyższej częstotliwości i mniejszej amplitudzie i poprzez to umożliwia poprawną pracę przekształtnika z quasisinusoidalnym prądem (z impulsami prądu opisanymi dla strategii II). Po wyłączeniu zadawania mocy biernej (t = 100 ms) prąd sieci zależy jedynie od bilansu mocy w punkcie przyłączenia. 6. Podsumowanie W artykule przedstawiono interfejs energoelektroniczny dla mikroinstalacji prosumenckiej. Modułowy przekształtnik zapewnia sprzęgnięcie źródeł energii odnawialnej na wspólnej szynie DC i przekształcenie energii na potrzeby zasilania trójfazowego. Modularność rozwiązania ułatwia dopasowanie systemu do konkretnej aplikacji, wynikającej np. z dostępnych źródeł energii odnawialnej. Możliwość uzupełnienia interfejsu o zasobnik pozwala na uwolnienie się od ograniczeń związanych z czasową dostępnością zasobów energii pierwotnej. Opisane w artykule strategie sterowania przekształtnika sieciowego obejmują warianty pracy w trybach off-grid (z zasobnikiem) i on-grid (z i bez zasobnika). W układzie sterowania wyróżnia się warstwę podrzędną, odpowiedzialną za regulację prądów oraz warstwę nadrzędną, odpowie-

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) 145 dzialną za realizację zadanej strategii. Poprawność działania zaproponowanego rozwiązania została sprawdzona na drodze badań symulacyjnych, a analizę otrzymanych wyników zamieszczono w artykule. Prezentowane przebiegi czasowe potwierdzają zgodną z założeniami pracę przekształtnika sieciowego w opisanych strategiach sterowania. Szczególną uwagę zwrócono na zasilanie odbiorników asymetrycznych (typowe dla instalacji domowych) oraz nieliniowych (stopień wejściowy większości współczesnych urządzeń gospodarstwa domowego stanowi prostownik). Zaproponowane rozwiązania sprzętowe i algorytmiczne zapewniają ponadto kompensację mocy biernej i redukcję wprowadzanych do sieci harmonicznych. 7. Literatura [1]. J.M. Carrasco, L.G. Franquelo, J.T. Bialasiewicz, E. Galvan, R.e.P. Guisado, M.A. Prats, J.I. Leon, N. Moreno-Alfonso: "Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 4, pp. 1002-1016, 2006. [2]. SMA Flexible Storage system dokumentacja techniczna produktu firmy SMA. [3]. J. Michalak: Bilansowanie energii w mikroinfrastrukturze PME, CEP, Biblioteka źródłowa, dział 1.02.07 - Bazowa inteligentna infrastruktura PME połączona z KSE. [4]. F. Blaabjerg, R. Teodorescu, M. Liserre, and A. V. Timbus: Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 53, no. 5, pp. 1398 1409, 2006. [5]. R. Zhang, H. Prasad, D. Boroyevich, F. C. Lee: Three-dimensional space vector modulation for four-leg voltage source converters, IEEE Trans. Power Electronics, vol. 17, no. 3, 2002. Autorzy dr inż. Grzegorz Jarek e-mail: Grzegorz.Jarek@polsl.pl dr inż. Jarosław Michalak e-mail: Jaroslaw.Michalak@polsl.pl dr inż. Marcin Zygmanowski e-mail: Marcin.Zygmanowski@polsl.pl Informacje dodatkowe Artykuł powstał w ramach realizacji projektu Rewitalizacja prosumenckich mikroinstalacji energoelektrycznych, finansowanego ze środków NCBiR oraz NFOŚiGW, nr umowy GEKON1/02/213877/31/2015NCBiR. dr inż. Michał Jeleń e-mail: Michal.Jelen@polsl.pl