BILANSOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ W INSTALACJACH UŻYTKOWNIKÓW KOŃCOWYCH

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 64 Politechniki Wrocławskiej Nr 64 Studia i Materiały Nr 30 2010 Grzegorz BENYSEK*, Marcin JARNUT* generacja rozproszona, jakość energii BILANSOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ W INSTALACJACH UŻYTKOWNIKÓW KOŃCOWYCH W artykule omówiona została metoda bilansowania energii elektrycznej w instalacjach odbiorcy końcowego. Przedstawione rozwiązanie pozwala na redukcję kosztów związanych ze zużyciem energii elektrycznej jak również pozwala na zwiększenie niezawodności zasilania. Opisano budowę, zasadę działania oraz właściwości układu energoelektronicznego realizującego funkcje bilansowania energii. Przedstawiono także wyniki badań modelu takiego układu. 1. WSTĘP Wśród czynników wpływających na komfort życia oraz bezpieczeństwo jednym z bardziej znaczących wydaje się być w dzisiejszych czasach ciągłość dostaw energii elektrycznej. Jednocześnie przy rosnącym popycie na towar jakim jest energia elektryczna oraz w sytuacji wzrostu cen paliw kopalnych wykorzystywanych w procesie jej generacji ceny energii stale rosną i nie należy się spodziewać zmiany tego trendu. Zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną wymaga rozwoju nie tylko sektora wytwórczego, ale także sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Rozwój zwłaszcza tych ostatnich nie zawsze nadąża za szybko rosnącym zapotrzebowaniem na energię, ponadto zmiany klimatu powodują zmianę warunków środowiskowych, w których pracują sieci. Pojawienie się nowych czynników jak gwałtowne burze i towarzyszące im silne wiatry czy gradobicia powodują, że starsze odcinki sieci, które nie były przewidziane do pracy w takich warunkach ulegają awariom pozbawiając zasilania znaczne obszary. Pewnym rozwiązaniem tej sytuacji jest rozproszenie źródeł energii w systemie, tak aby poprzez rekonfigurowane sieci możliwe było nieprzerwane zasilanie * Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Inżynierii Elektrycznej, ul. Podgórna 50, 65-246, Zielona Góra, g.benysek@iee.uz.zgora.pl, m.jarnut@iee.uz.zgora.pl

536 największej możliwej w danej sytuacji ilości odbiorców. Źródła te przyłączane są najczęściej do sieci dystrybucyjnej 110 kv. Zwiększa to niezawodność sieci, lecz z punktu widzenia odbiorców mniej znaczących dla dystrybutora tzn. odbiorców przyłączanych po stronie niskiego nn, jest ciągle niewystarczające zwłaszcza na obszarach wiejskich. Mniejsza gęstość zaludnienia na tych obszarach sprzyja natomiast rozwojowi energetyki niekonwencjonalnej małej mocy, która stanowić może rozwiązanie problemu ciągłości zasilania na tych terenach [1]. Generacja energii elektrycznej bliżej miejsca jej przetwarzania na inne formy energii uzyskiwana dzięki źródłom rozproszonym (co raz częściej są to źródła alternatywne typu farny wiatrowe, elektrownie słoneczne itp.) zmniejsza straty powstające w wyniku przesyłu tej energii sieciami energetycznymi. Moc generowana przez źródła alternatywne jest niestety w dużym stopniu zależna od czynników środowiskowych takich jak nasłonecznienie, średnia prędkość wiatru, z tego powodu istnieje uzasadniona konieczność magazynowania energii w celu jej późniejszego wykorzystania [2]. Energia ta może być konsumowana przez odbiorcę w awaryjnych stanach sieci (układy typu off-line) lub bilansowana z energią pobieraną z sieci dystrybucyjnej (układy typu grid-connected) [3, 4]. Duże znaczenie z punktu widzenia niezawodności systemu zasilania ma jakość dostarczanej energii. Odbiorca końcowy pośrednio wpływa na jej parametry jakościowe poprzez generowanie odkształceń prądu wywołujących w słabszych odcinkach sieci nieliniowe spadki napięć. Dla pozostałych odbiorców przyłączonych w bliskim sąsiedztwie objawia się to pogorszeniem parametrów napięciowych. Stosowanie aktywnych układów kompensacyjnych z dodatkowymi funkcjami bilansowania energii wydaje się uzasadnionym rozwiązaniem w opisanych sytuacjach. 2. KONCEPCJA UKŁADU SPRZĘGAJĄCEGO Układy wprowadzające energię ze źródeł rozproszonych oraz układy podtrzymujące ciągłość zasilania budowane są zwykle w oparciu o falowniki napięcia bilansujące prądy odbiornika i sieci. Rolę źródeł energii rezerwowej lub źródeł dodatkowych pełnią niewielkie źródła odnawialne, mini-generatory diesla lub gazowe, przyłączane do wspólnej z magazynem energii i obwodem DC falownika, szyny DC. W proponowanym rozwiązaniu przekształtnik wraz z reaktancją X S tworzą układ kondycjonera energii, którego jednofazowy schemat przedstawia rysunek 1 [5, 6]. Jest on podstawowym elementem systemu bilansowania energii przeznaczonego dla odbiorców końcowych. Ze względu na sposób sterowania realizuje szereg dodatkowych funkcji takich jakich stabilizacja napięcia na zaciskach odbiornika oraz kompensacja składowych nieaktywnych prądu sieci. Stanowić może wielofunkcyjny element systemu zasilania z wielu źródeł (dywersyfikacja źródeł energii).

537 a) b) i S u Xs Xs P S PCC P L i L Im. ϕ S i S Idc(in) Idc(out) P C u S u Xs T5 U DC Idc T1 C1 T3 Lf1 i C u C u C u S T6 T2 T4 Cf1 Z L δ P G i G Lg u G G ϕ L i L Re Rys. 1. Proponowany system bilansowania energii: a) schemat układu, b) wykres wskazowy (P G = 0) Fig. 1. Proposed energy balancing system: a) system schematic, b) phasor diagram (P G = 0) Integralną częścią kondycjonera jest falownik napięcia (T1 T4) przyłączany równolegle z zaciskami odbiornika, pracujący w trybie napięciowym z nadążną modulacją napięcia wyjściowego. Falownik napięcia kształtuje na zaciskach odbiornika napięcie o parametrach znamionowych napięcia sieci przesunięte w fazie względem tego napięcia o kąt zależny od mocy czynnej odbiornika. Punkt synchronizacyjny jest wyznaczany w układzie PLL. Cechą charakterystyczną układu sterowania jest brak konieczności pomiaru prądów w celu wyznaczenia mocy czynnej. Aktualna wartość kąta fazowego napięcia odbiornika jest wyznaczana w układzie stabilizacji napięcia obwodu DC, który działa na zasadzie bilansowania mocy czynnej w punkcie PCC. Stabilizacja napięcia obwodu DC falownika wymaga spełnienia ciągu zależności [7]: ΔU = 0 I = I P = P P = P + P DC DCIN DCOUT G C L S C (1) W równaniu (1) regulacji podlega moc czynna sieci PS, a stabilizacja napięcia na kondensatorze CDC falownika jest wynikiem zmiany tej mocy wywołanej zmianą kąta fazowego napięcia odbiornika. Jeżeli po stronie odbiorcy nie jest generowana energia tzn. P G = 0, to układ pozostaje w trybie kompensacji zapewniając stabilizowane sinusoidalne napięcie na zaciskach odbiornika oraz sinusoidalny prąd sieci. Generowanie energii ze źródeł własnych przyłączonych do obwodu DC falownika powoduje samoistne przejście układu do trybu bilansowania energii. W trybie tym zapewnione są także wszystkie funkcje kompensacyjne z trybu kompensacji. Zmiana trybu pracy nie wymaga rekonfiguracji obwodu ani zmian w strategii sterowania i jest zupełnie niewidoczna dla odbiornika. Szczególnie ta ostatnia właściwość wyróżnia układ spośród proponowanych wcześniej rozwiązań. Łatwo także uzyskać w takim układzie zablokować możliwość oddawania energii do sieci poprzez nało-

538 żenie ograniczenia na zakres zmian kąta fazowego napięcia odbiornika. Jest to zwłaszcza przydatne w sytuacji, gdy odbiorca nie miałby możliwości prawnych do takich działań. Równania bilansu nie ulegają zmianie, występuje jednak w układzie ograniczenie P S 0. 3. TRYB BILANSOWANIA ENERGII Przyłączenie do zacisków DC falownika zewnętrznego źródła energii poprzez układ dwukierunkowego przekształtnika generatorowego (T5, T6, T1, T2) wymuszającego przekazywanie energii do kondensatora C DC, powoduje wzrost napięcia na jego zaciskach. Regulator napięcia dążąc do stabilizacji napięcia U DC zmniejsza sygnał kąta fazowego δ co powoduje zmniejszenie mocy czynnej P S w elemencie sprzęgającym X S. W punkcie PCC następuje bilansowanie mocy czynnych odbiornika P L, falownika P C i sieci P S zgodnie z równaniem: P = P + P P > 0 P < P (2) L S C C S L We wzorze (1) moc ze znakiem dodatnim oznacza dostarczanie energii do węzła bilansującego PCC. Przedstawione na rysunku 2 wyniki badań wykonane w sytuacji, w której do zacisków DC kondycjonera przyłączony jest jednofazowy generator AC. Specyficznym przypadkiem bilansowania energii w punkcie PCC jest zanik napięcia sieci lub przejście układu do trybu off-line, np. w wyniku przekroczenia zakresu stabilizacji napięcia odbiornika. a) b) na pięcie sieci u S [V] prąd sieci i S 2 00V/d iv, 20A /d iv prąd odbiornika i L, prąd sieci i S 20 A/div na pięcie odbiornika u C [V ] prą d o db iornika i L 2 00V/d iv, 20A /d iv napięcie odbiornika u C, napięcie sieci u S 200 V/div moce czynne [W]: generowana PG, o bciążenia PL, sieci PS 1kW/div 0 W (1,1 kw) (3,1 kw) (2 kw) 10ms/div prąd falownika i C 20 A/div 20 ms/div Rys. 2. Wyniki badań układu z generatorem AC: a) bilansowanie mocy; b) zasilanie awaryjne Fig. 2. Investigation results in case of AC generation: a) power balancing, b) uninterruptible supplying

539 W sytuacji takiej P S = 0, co oznacza zasilanie odbiornika z zasobnika energii lub generatora. Przeprowadzono również badania symulacyjne obrazujące zachowanie proponowanego rozwiązania podczas zmian obciążenia, rysunek 3 jak i zmian mocy generowanej przez rozproszone/dodatkowe źródło energii. Można zauważyć, że w każdym z przedstawionych przypadków metoda bilansowania energii zapewniła prawidłową pracę układu, dodatkowo zmiany napięcia w obwodzie DC nie wpływały na parametry obciążenia. US [V] IS [X10A] U C [V] I L [ X10A] UDC[V] Uśrednione moce [W]: PG PL PS P L = 1.1k[W] P L = 2. 1k[W] 200ms/div Rys. 3. Wyniki badań symulacyjnych w sytuacji zmian mocy P L (generator DC; P G > P L ) Fig. 3. Investigation results in case of load power change (DC generator; P G > P L ) Zaproponowane rozwiązanie zweryfikowano również eksperymentalnie, w modelu laboratoryjnym małej mocy (2 kva). Wyniki badań eksperymentalnych dotyczą sytuacji sprzęgania z siecią dystrybucyjną nn, rozproszonych źródeł prądu stałego, jak na rysunku 4. Jak można zauważyć zgodnie z zasadą bilansowania energii zmiana (wzrost bądź spadek) mocy generowanej przez dodatkowe źródło odbiorcy indywidualnego, powoduje odwrotną zmianę (spadek bądź wzrost) mocy po stronie sieci zasilającej. Na uwagę zasługuje także fakt, iż bilansowanie energii nie zakłóca procesu dostawy energii do odbiornika proponowany układ zapewnia stabilizowane napięcie na zaciskach odbiornika, a co za tym idzie moc na zaciskach odbiornika staje się niezależna od wahań napię-

540 cia sieci zasilającej. W zależności od potrzeb sterowanie układem przekształtników ze wspólnym obwodem pośredniczącym odbywać się może w różnych reżimach sterowania między innymi: MPPT (Maximum Power Point Tracking) pozwalającego na najbardziej efektywne wykorzystanie generacji własnej odbiorcy; ograniczenie mocy czynnej od strony sieci zasilającej (w tym reżimie wymagana jest współpraca z magazynem energii lub źródło energii z regulacją pierwotną). a) b) Rys. 4. Wyniki badań eksperymentalnych w sytuacji zaniku napięcia U S (rozproszone źródło DC)(gdzie: Ch1 u S, Ch2 i S, Ch3 u C, Ch4 i L ) Fig. 4. Experimental investigation results in case of main voltage U S outage (dispersed DC energy source)(where gdzie: Ch1 u S, Ch2 i S, Ch3 u C, Ch4 i L ) Rys. 5. Wyniki badań eksperymentalnych w sytuacji zmian mocy P G : a) wzrost mocy P G ; b) spadek mocy P G (gdzie: Ch1 u S, Ch2 i S, Ch3 i L, Ch4 i G ) Fig. 5. Experimental investigation results in case of generated power change P G : a) growth of P G ; b) decrease of P G (where Ch1 u S, Ch2 i S, Ch3 i L, Ch4 i G )

541 Kolejnym przeanalizowanym przypadkiem, był zanik napięcia sieci. W takiej sytuacji moc pobierana z sieci wynosi zero P S = 0, co oznacza zasilanie odbiornika z zewnętrznego zasobnika energii, bądź generatora (patrz rysunek 5) w rozpatrywanym przypadku było to zewnętrzne źródło prądu stałego. Jak widać, pomimo zaniku napięcia sieci, układ zapewnia stałe napięcie na zaciskach odbiornika oraz stałą moc dostarczaną na zaciski obciążenia. Odbiorca 1 WLZ 0,4 kv <U SO1 B kwh SS SO2 SW1 XS E1_1 UC SO3 SG UC SW2 FG Sieć DC AC/DC Sieć Dystrybucyjna 0,4 kv PLL E2_1 US E2_2 DC/DC FG magazyn energii SW2 SG UC E1_2 UC SO1 B kwh SW1 SS SO2 XS <U SO3 Odbiorca 2 WLZ 0,4 kv Rys. 6. Lokalny system bilansowania energii dla grupy odbiorców końcowych Fig. 6. The local energy balancing system for group of end-users Rozwinięciem proponowanego wcześniej rozwiązania może być układ bilansujący dla grupy odbiorców ze wspólnym zasobnikiem energii i źródłami przyłączanymi do sieci DC. W tego typu rozwiązaniu (patrz rysunek 6), każdy z odbiorców posiada własny kondycjoner energii realizujący wszystkie przypisane mu funkcje. Rozwiązania tego typu mogą okazać się szczególnie przydatne w sytuacji, gdy odbiorcy indywidualni mają zainstalowane różnego typu źródła dodatkowe energii ogniwa fotowoltaiczne, małe

542 generatory wiatrowe, ogniwa paliwowe itp. Źródła takie, ze względu na zmienne warunki atmosferyczne generują zmienną w czasie moc, której nadwyżki mogą być przekazywane do odbiorców z deficytem energii. Dzięki proponowanemu układowi można również wyrównywać obciążenia pomiędzy poszczególnymi odbiorcami, wynikające m.in. z faktu nierównomiernego dobowego zużycia energii elektrycznej w poszczególnych budynkach. Wszystkie opisane działania przyczynią się do zmniejszonego poboru energii elektrycznej, a w rezultacie do niższych rachunków za energię. System bilansowania z rysunku 6 może być pierwszym rokiem do rozwoju sieci typu Smart Grid na poziomie sieci dystrybucyjnej. Może przynieść wymierne korzyści finansowe właścicielom źródeł rozproszonych, którymi w takim układzie mogą być zarówno odbiorcy końcowi jak i firmy multienergetyczne. Oprócz korzyści finansowych, układ pozwala na zwiększenie niezawodności zasilania poprzez dywersyfikację źródeł energii w instalacji odbiorcy końcowego. 4. PODSUMOWANIE Przedstawione w artykule wyniki badań potwierdzają skuteczność działania układu oraz szeroki zakres realizowanych funkcji. Ze względu na te cechy jak i prosty algorytm sterowania układ może znaleźć szerokie zastosowanie, zwłaszcza tam gdzie inne środki poprawy jakości energii i środki zapewniające niezawodność zasilania zawodzą. Działania nakreślone w umowach międzynarodowych, dyrektywach i normach zmierzające w kierunku redukcji emisji gazów powstających w tradycyjnych procesach wytwarzania energii elektrycznej jak i w kierunku zwiększenia efektywności energetycznej powodują rosnące zapotrzebowanie na tanie, niezawodne zasilanie. Wydaje się zatem, że układy przedstawione w artykule pozwalające na aktywizację odbiorcy w zakresie wytwarzania energii elektrycznej oraz jej bilansowania mogą stać się alternatywą dla obecnie stosowanych rozwiązań. LITERATURA [1] BENYSEK G., Improvement in the quality of delivery of electrical energy using power electronics systems, Springer-Verlag, London 2007. [2] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Voltage source power line conditioners, Jakość i Użytkowanie Energii Elektrycznej, 2004, T. 10, z. 1/2, s. 13 24. [3] STRZELECKI R., Aktywne układy kondycjonowania energii APC, Przegląd Elektrotechniczny, 7/2002. [4] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Aktywne kondycjonery energii dla indywidualnych użytkowników, PES4, Kościelisko, 23 27 czerwca 2003. [5] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Właściwości statyczne i dynamiczne filtru aktywnego typu VPLC z dodawczym źródłem napięciowym, Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym SENE 2003. VI krajowa konferencja naukowa, Łódź, Polska, 2003.

543 [6] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Power quality conditioners with minimum number of current sensors requirement, Przegląd Elektrotechniczny, 2008, nr 11, s. 295 298. [7] STRZELECKI R., TUNIA H., JARNUT M., MECKIEN G., BENYSEK G., Transformerless 1-phase active power line conditioners, Power Electronics Specialist Conference, PESC 03. IEEE 34th Annual, June 15 19, 2003, Vol. 1, p. 321 326. ENERGY BALANCING INSIDE END-USERS INSTALLATIONS The paper introduces system for energy balancing inside end-user installations. Described solutions allow to use user s own energy sources for overall cost reducing and for reliability improvement of energy delivering. The fundamentals of operation, structure and properties of power electronics based balancing system have been presented as well as some investigation results.