Pełny tekst
Transkrypt
Pełny tekst
Michał KUSIO MAKSYMALIZACJA MOCY UKŁADU NAPĘDOWEGO KLIMATYZACJI ZASILANEGO Z GENERATORA PV STRESZCZENIE Niniejsza praca poświęcona jest tematyce zasilania układów napędowych prądu przemiennego za pomocą generatorów fotowoltaicznych. W pracy przedstawiono układ elektryczny napędu klimatyzacji zasilany z generatora fotowoltaicznego z zaproponowanym algorytmem sterowania. Przedstawiono takŜe analizę pracy układu w oparciu o badania laboratoryjne. W pracy zamieszczono równieŜ informacje opisujące zachowanie takich układów w stanach dynamicznych przy róŜnych sposobach zasilania. Słowa kluczowe: fotowoltaika, silnik indukcyjny, falownik, układ sterowania. 1. WSTĘP W przypadku urządzeń klimatyzacyjnych, energia promieniowania słonecznego moŜe być szczególnie wykorzystywana, gdyŜ maksymalne zapotrzebowanie na chłodzenie występuje prawie w tym samym czasie, co największe promieniowanie słoneczne. Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do napędu urządzeń chłodniczych wymaga jej zmiany w drodze: mgr inŜ. Michał KUSIO e-mail: [email protected] PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 236, 2008 M. Kusio 76 • • konwersji fotowoltaicznej (ogniwa fotowoltaiczne) – gdzie energia promieniowania słonecznego jest zamieniana za pośrednictwem falowników w energię elektryczną, którą uŜywamy do napędu spręŜarek chłodniczych, konwersji fototermicznej (kolektory słoneczne) – gdzie energia promieniowania słonecznego podgrzewa nośnik ciepła w kolektorze słonecznym a uzyskane w ten sposób ciepło moŜe być wykorzystane do zasilania termochemicznych urządzeń do schładzania i osuszania powietrza w klimatyzacji. 2. OPTYMALIZACJA MOCY W FOTOWOLTAICZNYCH SYSTEMACH NAPĘDOWYCH Głównym celem maksymalizacji jest zapewnienie pracy generatora w punkcie mocy maksymalnej (Maximum Power Point - MPP). Jedynie w systemach bardzo małych mocy moŜna zrezygnować z maksymalizacji mocy, gdyŜ dodatkowe koszty, związane z rozbudową układu, niekoniecznie mogą zwiększyć pozyskanie energii. Jeden ze sposobów praktycznej realizacji maksymalizacji mocy systemu opiera się na zastosowaniu w zaleŜności od bezpośredniego obciąŜenia układu dopasowującego, którym moŜe być falownik lub przerywacz prądu stałego, umieszczony przed odbiornikiem energii elektrycznej. Innym sposobem maksymalizacji mocy generatora fotowoltaicznego jest zastosowanie zestawów solarnych ze specjalnymi ruchomymi czaszami, które za pośrednictwem niewielkich silniczków naprowadzających automatycznie kierują powierzchnie modułów w optymalnym kierunku wobec słońca. Prostsze układy oparte są na analizie trajektorii słońca na nieboskłonie, co jest kalkulowane na podstawie daty, godziny i połoŜenia geograficznego miejsca, w jakim się znajduje uŜytkownik. Zestawy bardziej zaawansowane posiadają dodatkowe układy odpowiednio zamocowanych czujników i są sterowane za pośrednictwem specjalistycznych programów komputerowych. W chwilach zachmurzenia panele kierowane są w to miejsce nieba gdzie intensywność promieni słonecznych jest najbardziej korzystna. Niektóre programy sterujące analizują równieŜ opłacalność ekonomiczną przekierowywania modułu w danej chwili uwzględniając zuŜycie energii przez silniki lub siłowniki naprowadzające [5]. Maksymalizacja mocy układu napędowego klimatyzacji … 77 2.1. Optymalizacja prędkości obrotowej w zaleŜności od mocy promieniowania słonecznego Jednym z takich układów jest układ z optymalizacją prędkości obrotowej w zaleŜności od mocy promieniowania słonecznego. Układ ten zaprojektowany powinien być tak, aby w znamionowych warunkach nasłonecznienia wartość mocy pobieranej przez silnik była dopasowana do mocy wytwarzanej przez generator. Zmniejszenie nasłonecznienia powoduje zmniejszenie mocy generatora PV, co w efekcie prowadzi do zmniejszenia prędkości silnika. W przeciwnym wypadku, kiedy układ fotowoltaiczny produkuje więcej mocy elektrycznej prędkość silnika powinna wzrosnąć, w celu oddania większej mocy do obciąŜenia [1]. W celu utrzymania optymalnej prędkości silnika, częstotliwość napięcia zasilającego naleŜy uzaleŜnić od mocy wytarzanej przez generator PV przy pomocy odpowiedniej zaleŜności optymalizującej poślizg. PoniewaŜ znana jest moc maksymalna i częstotliwość przekształtnika dla warunków znamionowych, to moŜliwe jest wyznaczenie częstotliwości optymalnej dla danych warunków pracy. Uwzględniając rodzaj obciąŜenia częstotliwość tą moŜna wyznaczyć na podstawie poniŜszych zaleŜności: Generator PV Id Przekształtnik DC/AC 3f U M P/P M n PWM Rys. 1. Schemat blokowy układu napędowego z regulacją prędkości w zaleŜności od wartości mocy promieniowa słonecznego o dla obciąŜenia stałym momentem f = Pm ⋅ fn Pmn (1) M. Kusio 78 o dla obciąŜenia liniowego: f = Pm ⋅ fn Pmn (2) o dla obciąŜenia parabolicznego f =3 Pm ⋅ fn Pmn (3) gdzie: Pmn – maksymalna znamionowa moc baterii, fn – częstotliwość znamionowa napięcia silnika, Pm – maksymalna moc baterii dla nowych warunków, f – częstotliwość napięcia silnika dla nowych warunków. 2.2. Regulacja napięciowo-częstotliwościowa Opisany w poprzednim rozdziale sposób regulacji prędkości obrotowej silnika w zaleŜności od mocy promieniowania słonecznego nie uwzględnia jednak ograniczonej dynamiki układu napędowego podczas stanów przejściowych. Problem ten moŜna rozwiązać uzaleŜniając wartość częstotliwości napięcia zasilającego układ napędowy od aktualnych parametrów wyjściowych generatora fotowoltaicznego. W tym celu moŜna zastosować pomiar mocy pobieranej z generatora fotowoltaicznego i zgodnie z zasadami sterowania napięcie – częstotliwość na tej podstawie zmieniać częstotliwość pracy falownika. Wprowadzając takie rozwiązania zapewniamy odpowiednią przeciąŜalność momentem układu napędowego w całym zakresie zmian napięcia generatora, co jest szczególnie waŜne podczas stanów przejściowych. Działanie omawianego układu polega na zmianie zadawanej prędkości silnika, w zaleŜności od wartości napięcia na zaciskach baterii PV. Napięcie baterii PV zaleŜne jest od prądu obciąŜenia i jest mniejsze podczas rozruchu silnika, gdyŜ wtedy silnik wymusza przepływ maksymalnego prądu. Niskie napięcie wymuszone charakterystyką prądowo-napięciową baterii fotowoltaicznej o częstotliwości znamionowej, powoduje zmniejszenie strumienia magnetycznego w silniku i zaleŜnego od wartości strumienia momentu napędowego. Przy wprowadzeniu sprzęŜenia napięciowego w regulacji prędkości, dostosowuje ono częstotliwość napięcia zasilającego silnik do aktualnej jego wartości. Zapewniamy w ten sposób odpowiednią przeciąŜalność momentem układu napędowego podczas stanów przejściowych silnika. Maksymalizacja mocy układu napędowego klimatyzacji … Generator PV 79 Id Przekształtnik Układ pomiarowy pradu i napiecia generatora fotowoltaiczneg o DC/AC 3f U M P/P M U/f PWM Rys. 2. Schemat blokowy regulacji prędkości ze stałą przeciąŜalnością momentem w zaleŜności od wartości mocy generatora Sterowanie ze stałą przeciąŜalnością momentem za pośrednictwem przekształtnika jest najbardziej efektywną i najczęściej stosowaną metodą regulacji silników indukcyjnych. Aby zachować stałą przeciąŜalność silnika podczas regulacji prędkości musi być zachowany związek między napięciem zasilającym a prędkością synchroniczną (zmiana częstotliwości napięcia zasilającego wynika ze zmian warunków nasłonecznienia). W ogólnym przypadku, gdy moment oporowy zaleŜy od prędkości kątowej Mz = f(ω), zasadę zapewniającą spełnienie tego warunku (przy napięciu sinusoidalnym),a wyraŜającym zaleŜność U = f(f, Mz) moŜna przedstawić w postaci: U f = Un fn gdzie: Un fn Mn Mz Mz Mn (4) – znamionowe napięcie zasilające silnik, – znamionowa częstotliwość napięcia zasilającego silnik, – znamionowe wartości momentu silnika, – moment zakłócający oporowy na wale silnika. Dla układów o stałym momencie oporowym maszyny roboczej w celu utrzymania stałej przeciąŜalności momentem naleŜy zachować stały strumień magnetyczny w silniku. NaleŜy, więc spełnić warunek: U = const f (5) M. Kusio 80 Dla układów o charakterystyce wentylatorowej zaleŜność przybiera postać: U = const f2 (6) Uzyskujemy w wyniku tego dostosowanie prędkości obrotowej podczas stanów przejściowych silnika do zmieniających się warunków zasilania. Na rysunku 3 przedstawiono uproszczoną wersję układu regulacji prędkości w zaleŜności od mocy generatora fotowoltaicznego. W układzie tym zrezygnowano z pomiaru mocy generatora fotowoltaicznego stosując w zamian jedynie napięciowe sprzęŜenie zwrotne. Uproszczenie wynika z załoŜenia, Ŝe przy danych warunkach obciąŜenia, maksymalną moc generator oddaje przy napięcia 0,8Uoc. Generator PV Id Przekształtnik DC/AC 3f U M 0,8U=f(Id) PWM Rys. 3. Schemat blokowy regulacji prędkości ze stałą przeciąŜalnością momentem na podstawie pomiaru napięcia Działanie tego układu analogicznie jak poprzednio polega na regulacji zadawanej prędkości kątowej silnika, w zaleŜności od wartości napięcia na zaciskach baterii PV zgodnie z zasadami regulacji napięciowo-częstotliwościowej. 2.3. ZałoŜenia techniczne przyjęte w realizacji projektu W przedstawionym projekcie dla potrzeb zasilania układów elektroniki zostało wykorzystane ogniwo fotowoltaiczne o napięciu 40 V. W celu uzyskania odpowiednich poziomów napięć zastosowano przetwornice napięcia DC/DC. W zaprojektowanym module moŜna wyróŜnić cztery przetwornice, z których Maksymalizacja mocy układu napędowego klimatyzacji … 81 podstawowa obniŜa napięcie do +24 V. Takie napięcie potrzebne jest do zasilenia wyjść przekaźnikowych, wyjść analogowych i cyfrowych oraz transmisji CAN. Kolejno wartość tego napięcia zostaje obniŜona do ± 15 V oraz +5 V. Pierwsza wartość potrzebna jest do zasilenia drivera, który musi zapewnić odpowiedni poziom napięć sterujących bramkami tranzystorów IGBT. Przetwornik LEM wykorzystuje do swojej pracy zasilanie symetryczne ±15 V. Mikroprocesor, układy logiczne TTL oraz pozostałe elementy zasilane są napięciem +5 V. Głównymi członami falownika są sterowane półprzewodnikowe elementy mocy rozmieszczone w trzech oddzielnych gałęziach. Ze względu na duŜą częstotliwość przełączania, jako elementy mocy zostały wykorzystane tranzystory. Zaprojektowany falownik zbudowany jest w oparciu o tranzystory IGBT (skrót z jęz. ang. Insulated Gate Bipolar Transistor), które łączą w sobie cechy tranzystorów bipolarnych i MOSFET. WaŜne jest równieŜ, Ŝe między obwodem sterowania i obwodem mocy tranzystora IGBT jest izolacja galwaniczna wytrzymująca napięcie około 2 kV oraz, Ŝe przy załączaniu, wyłączeniu oraz podtrzymaniu stanu pracy statycznej tranzystora IGBT nie jest pobierana moc z układu sterowania. Sterowanie mostka 6-cio pulsowego z wyjść cyfrowych wymaga rozbudowanych układów pośredniczących. O ile dolne tranzystory moŜna by wysterować tradycyjnymi metodami, to sterowanie górnymi tranzystorami jest znacznie trudniejsze. Pracują one w układzie wtórnika emiterowego i dla pełnego wysterowania muszą mieć na bramce napięcie wyŜsze od napięcia zasilania [3]. Do tego celu niezbędny jest układ sterownia, odpowiedzialny za podawanie impulsów na bramki poszczególnych tranzystorów. Ma on za zadanie dopasowanie poziomu napięcia sterującego załączaniem i wyłączaniem kluczy. Zapewnia on takŜe odpowiednią wartość prądu w obwodzie przybramkowym, która pozwoli szybko wysterować tranzystor. W opracowanym falowniku wykorzystano driver IR2130, który działa w oparciu o technikę „bootstrap” ze wstępnym ładowaniem kondensatorów i wykorzystaniem ich ładunku do zasilania wzmacniaczy tranzystorów. Główną funkcją układ mikroprocesorowego jest sterownie pracą systemu napędowego. W zaprojektowanym układzie jest on wykorzystywany do generowania przebiegów sterujących mostek wyjściowy. Ponadto zastosowanie procesora pozwala na zrealizowanie funkcji łagodnego rozruchu, stabilizacji prędkości oraz monitorowania pracy napędu. W zastosowanym układzie zrezygnowano z pomiaru mocy generatora fotowoltaicznego w zamian stosując jedynie napięciowe sprzęŜenie zwrotne. Uproszczenie to opiera się na załoŜeniu, Ŝe przy danych warunkach obciąŜenia, maksymalna moc, jaką moŜe oddać generator występuje dla napięcia 0,8U. Wartość napięcia odczytywana jest z prostego dzielnika napięciowego rzędu MΩ, dołączonego do falownika przed baterią kondensatorów. Dzięki du- 82 M. Kusio Ŝej wartości rezystancji dzielnika wartość płynącego przez nie prądu jest około 0,2 mA przy 400 V napięcia wejściowego. Maksymalna wartość napięcia na rezystorze pomiarowym jest równa 5 V i przetwarzana jest na ciąg impulsów w przetworniku analogowo-cyfrowym. W zaprojektowanym układzie jako napęd maszyny roboczej został wykorzystany trójfazowy silnik indukcyjny, którego końce uzwojeń stojana na stałe połączone są w trójkąt. Maszyną roboczą jest spręŜarka, która charakteryzuje się kwadratową zaleŜnością momentu obrotowego, oraz sześcienną mocy od prędkości obrotowej. Rozruch silnika indukcyjnego opiera się na metodzie ciągłej zmiany częstotliwości. Zmiana częstotliwości podczas rozruchu odbywa się co 0,02 Hz i realizuje to zastosowany przetwornik 10-bitowy. Czas, jaki musi upłynąć od zmiany częstotliwości napięcia do odczytu napięcia generatora musi być przynajmniej kilkanaście razy dłuŜszy od okresu napięcia zasilającego silnik w danej chwili. Spełnienie tej zaleŜności pozwala wyeliminować niekorzystne oscylacje częstotliwości generowanych przy odczycie mierzonych wartości związanych z pracą generatora. DłuŜszy czas pozwala na dokładniejszy odczyt potrzebnych parametrów. Falownik jest gotowy do pracy po podłączeniu go do generatora PV oraz dołączeniu obciąŜenia. W pierwszej fazie uruchamiania układu, jeśli spełnione są warunki zasilania, cały układ jest resetowany. Wartość napięcia jest zerowana a częstotliwość zostaje ustawiona na 3 Hz. Dane początkowe zostają zapisane w pamięci ROM procesora, a następnie ustawiany jest adres przetwornika odpowiedzialnego za odczyt wartości napięcia (stosowana jest opcja uśredniania). Kolejnym etapem jest przetworzenie tej wartości na sygnał cyfrowy. Na podstawie wcześniejszych odczytów, mikroprocesor porównuje napięcie wejściowe generatora PV z wartością początkową zapisaną w pamięci. Kolejnym etapem algorytmu jest ustalenie, czy nowa wartość jest większa, czy teŜ mniejsza od poprzedniej. Po dokonaniu detekcji zmian napięcia, ustalana jest nowa częstotliwość pracy. Następuje wysterowanie zaworów falownika z odpowiednimi czasami trwania stanów wysokiego i niskiego. 2.4. Przebiegi uzyskane podczas badań laboratoryjnych Celem badań laboratoryjnych było uruchomienie opisanego układu oraz sprawdzenie załoŜeń projektowych dla dwóch wariantów: bez optymalizacji mocy, gdzie rozruch silnika odbywał się przy częstotliwości znamionowej oraz przy zastosowaniu optymalizacji mocy pobieranej z generatora fotowoltaicznego. Zakres przeprowadzonych czynności obejmował: Maksymalizacja mocy układu napędowego klimatyzacji … • • 83 rejestrację przebiegów napięcia i prądu generatora fotowoltaicznego, rejestrację stanów przejściowych podczas rozruchu układu napędowego. Na rysunkach 4 i 5 zostały przedstawione oscylogramy napięcia i prądu pobieranego z generatora fotowoltaicznego oraz odpowiadające im oscylogramy prądu i prędkości badanego silnika w przypadku rozruchu układu przy częstotliwości znamionowej. Rys. 4. Przebiegi napięcia oraz prądu generatora fotowoltaicznego w funkcji czasu dla układu bez maksymalizacji mocy zerowa predkość-utknięcie silnika Rys. 5. Przebieg prądu i prędkości silnika w funkcji czasu dla układu bez maksymalizacji mocy Jak wynika z powyŜszych przebiegów bezpośrednie włączenie silnika na częstotliwość 50 Hz prowadzi do wzrostu prądu obciąŜenia i w efekcie doprowadza do „utknięcia” silnika. Ponadto wraz ze wzrostem obciąŜenia rośnie prąd pobierany przez silnik i maleje napięcie na wyjściu generatora. Z tego wynika, M. Kusio 84 Ŝe w przypadku bezpośredniego włączenia silnika nawet przy niewielkim obciąŜeniu konieczne jest przewymiarowanie mocy generatora PV. W dalszej części badań dokonana została rejestracja przebiegów parametrów generatora i silnika z wykorzystaniem algorytmu optymalizującego pobieraną moc z generatora fotowoltaicznego. Jak widać z przedstawionych oscylogramów zastosowanie tej metody pozwala na rozruch silnika, który przy zasilaniu z tego samego generatora w sposób bezpośredni „utykał”. Dzięki umiejętnemu sterowaniu pracą silnika, czas stanów dynamicznych moŜna wielokrotnie skrócić. Sterowanie takie nie tylko pozwala na zmniejszenie poślizgu silnika przy pracy w warunkach mniejszego nasłonecznienia, ale równieŜ uzaleŜnia wartość prądu, a tym samym i mocy, jaka pobierana jest z generatora PV. Poprzez odpowiednie sterowanie częstotliwością na wyjściu falownika układ jest w stanie pracować w punkcie mocy maksymalnej w szerokim zakresie zmian wartości nasłonecznienia, przy małym poślizgu silnika. wzost natąŜenia praomieniowania słoneczego Uoc czas rozruchu 0,8Uoc stan pracy ustalonej dla aktualnych warunków nasłonecznienia Rys. 6. Przebiegi napięcia oraz prądu generatora fotowoltaicznego w funkcji czasu dla układu z maksymalizacją mocy Jak widać na rysunku 7 badany silnik dokonuje łagodnego rozruchu od prędkości zerowej do prędkości zadanej przez układ sterowania. W czasie rozruchu z generatora fotowoltaicznego pobierana jest maksymalna moc (moŜliwa do uzyskania w danych warunkach) poprzez zastosowanie algorytmu 0,8Uoc. Maksymalizacja mocy układu napędowego klimatyzacji … 85 prędkośc ustaloana czas rozruchu Rys. 7. Przebieg prądu i prędkości silnika w funkcji czasu dla układu z maksymalizacją mocy Na wyjściu falownika uzyskano sinusoidalne przebiegi prądu (rys. 5 i 7) których częstotliwość dostosowywała się do panujących warunków nasłonecznienia. Występujące zaś w nich zniekształcenia powodowane są ciągłym przeliczaniem wartości funkcji sinus. Przedstawione przebiegi prezentują zalety regulacji prędkości silnika, w zaleŜności od wartości napięcia generatora fotowoltaicznego. Rozruch układów zasilanych w ten sposób jest krótszy, a dla mniejszych wartości nasłonecznienia zastosowanie tej metody pozwala na rozruch silnika, który zasilany w sposób bezpośredni „utyka”. Otrzymane przebiegi ukazują celowość stosowania zaproponowanego algorytmu sterowania w napędach zasilanych z generatorów fotowoltaicznych. Zastosowane sprzęŜenie napięciowe znacząco polepsza dynamikę układu i zapewnia utrzymanie stałej przeciąŜalności niezaleŜnie od warunków nasłonecznienia. LITERATURA 1. Kolano J.: Systemy fotowoltaiczne zasilające elektryczne układy napędowe. Seria wydawnicza Postępy Napędu Elektrycznego i Energoelektroniki Komitetu Elektrotechniki Polskiej Akademii Nauk, 2002. 2. Hiyama T., Kitabayashi K.: Neutral network based estimation of maximum power generation from PV module using environmental information. IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol 10, No.3, 09.1995. 3. Perski A.: Instalacje fotowoltaiczne. Elektroinstalator, 3/2005. M. Kusio 86 4. Rubik M.: Klimatyzacja – moŜliwości i tendencje rozwoju. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, klimatyzacja, 10/2006. 5. Łepkowski P.: Niezawodne i coraz tańsze – ogniwa fotowoltaiczne. Energia-gigawat, 07/2003. Rękopis dostarczono dnia 3.10.2008 r. Opiniował: prof. dr hab. inŜ. Stefan F. FILIPOWICZ MAXIMIZATION POWER PROPULSION SYSTEM OF AIR-CONDITIONER SUPPLIED FROM GENERATOR PV Michał KUSIO ABSTRACT: This monograph is devoded to solve some problems with admission propulsion systems of alternating current for photovoltaic generators. Description of propulsion systems and regulation methodshave been analized in this monograph. Analyzed model has been create in laboratory and analisis of it’s operations have been presented. The plots ware publish on this monograph, describe running propulsion systems in dynamic conditions for different admission and regulation methods. Mgr inŜ. Michał Kusio Absolwent Wydziału Elektrotechniki i Informatyki Politechniki Lubelskiej o specjalności Przetwarzanie i UŜytkowanie Energii Elektrycznej (2007). Obecnie uczestnik studiów doktoranckich PL. Zajmuje się współpraca elektrowni fotowoltaicznej (PV) z siecią elektroenergetyczną oraz optymalizacją mocy w systemach fotowoltaicznych.