Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013

Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013
SYNCHRONIZACJA ELEKTROENERGETYCZNEJ SIECI KRAJOWEJ
Z ELEKTRYCZNA SIECIĄ OKRĘTOWĄ W SYSTEMIE "SHORE TO
SHIP"
SYNCHRONIZATION OF NATIONAL GRID NETWORK WITH THE
ELECTRICITY SHIPS NETWORK IN THE "SHORE TO SHIP "
SYSTEM
Dariusz TARNAPOWICZ
Akademia Morska w Szczecinie
Streszczenie: Jednym ze skutecznych sposobów ograniczenia negatywnego wpływu statków
cumujących w portach na środowisko jest zastosowanie systemu „shore to ship” – dostawy energii
elektrycznej na statki z lokalnych stacji elektroenergetycznych. Infrastruktura energetyczna instalacji
portowej niezbędna do zasilania statków musi być zaprojektowana tak, aby możliwa była obsługa
różnych typów statków. Ważnym zagadnieniem przy stosowaniu systemu „shore to ship” jest jakość
dostaw energii elektrycznej poprzez miedzy innymi zapewnienie ciągłości zasilania przy przełączaniu
z elektrycznego zasilania autonomicznego statku na zasilanie z elektrycznej sieci lądowej. W
niniejszym artykule przedstawiono sposób synchronizacji elektroenergetycznej sieci lądowej z siecią
okrętową podczas postoju statku w porcie zapewniającą bezprzerwową prace okrętowych urządzeń
elektrycznych.
Słowa kluczowe: system „shore to ship”, synchronizacja, pętla fazowa PLL
1. WSTĘP
Statki są jak pływające przedsiębiorstwa. Produkcja i dystrybucja energii elektrycznej
odbywa się w środowisku, w którym nie można uzyskać energii elektrycznej z zewnętrznych
źródeł. Instalacje elektryczne na statkach są niezbędne dla działania silnika napędu głównego,
nawigacji i komunikacji, jak również dla systemów pomocniczych, które zapewniają
podstawowe usługi socjalne, takie jak oświetlenie, systemy zasilania wodą oraz usługi
hotelowe.
Energia elektryczna w większości przypadków jest dostarczana z autonomicznych
zespołów prądotwórczych (AE) składających się z tłokowego silnika spalinowego i
generatora synchronicznego.
Podczas postoju statku w porcie silniki główne są przeważnie wyłączone, a decydującym
źródłem zanieczyszczenia powietrza pozostają okrętowe zespoły prądotwórcze oraz kotły
grzewcze. Badania emisji spalin przeprowadzone w portach oraz ich otoczeniu prowadzą do
wniosku, że statki morskie są głównym źródłem emisji spalin takich jak; tlenku azotu (NOx),
dwutlenku siarki (SO2) i cząstki stałe (PM) [1]. Emisja zanieczyszczeń z źródeł lądowych
(zakłady przemysłowe, samochody, pociągi), została drastycznie zmniejszona w ciągu
ostatnich dwóch dekadach poprzez wdrażanie rygorystycznych norm emisji spalin,
stosowanie czystych paliw i instalacji urządzeń ograniczających emisję zanieczyszczeń.
Zanieczyszczenie generowane przez statki cumujące w portach jest nie do zaakceptowania.
Zastosowanie połączenia sieci okrętowej z siecią elektroenergetyczną lądową pozwala w
znacznym stopniu zniwelować niekorzystne oddziaływanie w porcie okrętowych zespołów
prądotwórczych na środowisko naturalne. Problem techniczny tego rozwiązania jest związany
ze stosowaniem na statkach sieci elektrycznych o różnych parametrach znamionowych, jak
również brakiem normalizacji parametrów elektroenergetycznych sieci lądowych na świecie
[2].
Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013
Na rysunku 1 przedstawiona jest podstawowa konfiguracja systemu Shore To Ship (STS)
– elektroenergetycznego podłączenia statku z lądem rekomendowana przez Unię Europejską
[3].
Rys. 1. The scheme of vessel electric supply system configuration (STS) in the port according to EU
regulations
2. SYNCHRONIZACJA W SYSTEMACH OKRĘTOWYCH
W systemach okrętowych zapewnienie ciągłości zasilania urządzeń ważnych jest
podstawowym warunkiem szeroko rozumianego bezpieczeństwa statku. Elektroenergetyczny
system okrętowy jest zaprojektowany tak, aby włączanie kolejnych autonomicznych zespołów
prądotwórczych do pracy równoległej odbywało się poprzez synchronizację. Wyłączenie
okrętowych zespołów prądotwórczych i podłączenie zasilania z elektroenergetycznego
systemu lądowego musi odbywać się bezprzerwowo i automatycznie. Prawidłowa i szybko
przeprowadzona synchronizacja systemów wpływa na prawidłowość działania większości
urządzeń na statku.
W nowoczesnych systemach energetycznych proces synchronizacji przebiega w sposób
automatyczny. Warunkiem niezbędnym do połączenia dwóch systemów energetycznych jest
równość napięć chwilowych w poszczególnych fazach. W celu spełnienia tego ogólnego
warunku należy spełnić cztery warunki szczegółowe, zwane warunkami idealnej
synchronizacji [4, 5]:
warunek częstotliwościowy – równość częstotliwości napięć systemów energetycznych
włączanych do pracy równoległej
(1)
warunek fazowy – równość faz początkowych systemów energetycznych włączanych do
pracy równoległej
(2)
warunek napięciowy – wartości skuteczne napięć systemów energetycznych włączanych
do pracy równoległej
(3)
warunek zgodności faz – takie samo następstwo faz w gwieździe napięć systemów
energetycznych włączanych do pracy równoległej
(4)
Spełnienie warunków synchronizacji dla jednej fazy dwóch systemów energetycznych
pokazane jest na rysunku 2. W momencie spełnienia w/w warunków synchronizacji następuje
połączenie dwóch systemów energetycznych.
2
Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013
u1, u2 [V] 600
u2
u1
400
200
0
-200
-400
-600
0 10
20
30
40
t[ms]
50
60
70
80
Rys. 2 The conditions for synchronization of two energy systems
u1 - voltage waveform for one phase of I energy systems
u2 - voltage waveform for one phase of II energy systems
W okrętowych systemach energetycznych układ automatyki synchronizacji musi
„nadążać” za zmianami w sieci okrętowej. Jak już wspomniano sieć okrętowa jest siecią
miękką, w której występują częste zmiany napięcia i częstotliwości (włączanie i wyłączanie
odbiorów o dużej mocy porównywalnej z mocą zespołu prądotwórczego). Synchronizacja w
systemach okrętowych, między autonomicznymi zespołami prądotwórczymi, odbywa się
automatycznie i jest realizowana za pomocą synchronizatorów. Używane w okrętownictwie
mniej lub bardzie zaawansowane technologicznie synchronizatory zapewniają automatyczną
synchronizacje w minimalnym czasie. Przykładem takiego synchronizatora może być
synchronizator T4500 popularnej w okrętownictwie firmy SELCO [6].
Aby spełnić warunki synchronizacji synchronizator wysyła sygnały sterujące do
regulatorów obrotów zespołów prądotwórczych i opcjonalnie (bardzo rzadko) do regulatorów
napięć prądnic załączanych do pracy równoległej. Spełnienie warunku kolejności faz przy
włączaniu dwóch zespołów prądotwórczych do pracy równoległej jest zrealizowany przy
montażu prądnic i nie jest sprawdzany podczas synchronizacji. Warunek napięciowy realizują
regulatory napięć prądnic i najczęściej synchronizator nie oddziałuje na regulację wartości
skutecznej napięć. Głównym zadaniem synchronizatora jest spełnienie warunku
częstotliwościowego, a przede wszystkim warunku fazowego. Spełnienie warunku
częstotliwościowego i fazowego odbywa się na drodze mechanicznej poprzez niewielką
zmianę obrotów silnika napędowego prądnicy. Duża bezwładność mas wirujących silnika
napędowego, jak również bezwładność układu regulacji prędkości obrotowej silnika
powoduje, że proces synchronizacji może trwać nawet kilka minut.
Wykorzystanie opisanych synchronizatorów w układzie STS związane jest z ważnymi
wadami:
 przy założeniu, że synchronizator będzie „dopasowywał” parametry sieci okrętowej do
sieci lądowej, regulacja obrotów silników zespołów prądotwórczych będzie
powodować zmiany częstotliwości zasilanych aktualnie odbiorów na statku.
Niekorzystne jest to dla odbiorów, których mechanizmy wirujące związane są z
częstotliwością napięcia zasilającego. Głównym odbiornikiem w systemach
okrętowych są asynchroniczne silniki klatkowe. Prędkość wirowania jest
proporcjonalna do częstotliwości zasilającej:
∗
(5)
gdzie:
3
Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013
– częstotliwość napięcia zasilającego,
– liczba par biegunów pola synchronicznego,
 niska dynamika układu synchronizacji – długi proces synchronizacji (szczególnie przy
dużych mocach zespołów prądotwórczych)
W celu wyeliminowania niekorzystnych cech układu synchronizacji realizowanego przy
użyciu klasycznych synchronizatorów najbardziej właściwą koncepcją synchronizacji jest
odpowiednie sterowanie przemiennikiem częstotliwości (rys. 3).
Rys. 3. STS system synchronization
Jak już wspomniano głównym warunkiem do spełnienia dla przeprowadzenia
synchronizacji jest warunek fazowy. Istnieje wiele metod, które pozwalają na określenie fazy
i częstotliwości napięcia sieci. Przykładem może być metoda wyznaczenia fazy napięcia
polegająca na detekcji chwili przejścia napięcia przez zero. W okresie przebiegu napięcia
występują tylko dwa momenty przejścia przez zero. Ważne jest również możliwość
pojawiania się odkształcenia napięcia (np. sieć „miękka” – włączania odbiorów o dużej
mocy), które wprowadza błędy do sterowania. Metoda ta charakteryzuje się niską dynamiką i
dokładnością [7].
W ostatnich latach, dzięki rozwojowi technologii półprzewodnikowej oraz sterowaniu
opartym o techniki procesorowe i cyfrowe w układach energoelektronicznych znalazł
zastosowanie znany w elektronice układ synchronizacji z pętlą sprzężenia fazowego PLL
(Phase-Locked-Loops). Układ PLL ma zastosowanie w systemach elektronicznych dzielenia i
powielania częstotliwości, syntezy częstotliwości, demodulacji oraz synchronizacji. Układ
synchronizacji fazy oparty na PLL składa się z trzech podstawowych bloków funkcjonalnych:
(rys 4):
 PF – detektor fazy dokonuje porównania kątów fazowych sygnału wejściowego X(t)
oraz sygnału wyjściowego Y(t) z generatora przestrajanego napięciem VCO i
wytwarza sygnał błędu napięcia X(t) zależny od różnicy faz i częstotliwości.
 LF – filtr dolnoprzepustowy, w którym następuje filtracja w.cz sygnału błędu, a
następnie przefiltrowany sygnał XF(t) podawany jest na generator VCO.
 VCO – generator sterowany napięciem sygnału błędu XF(t).
4
Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013
Rys. 4. Basic conceptual models of PLL
Przedstawiona wyżej koncepcja układu PLL może być wykorzystana w procesie
synchronizacji sieci lądowej z siecią okrętową. Na rysunku 5 przedstawiony jest schemat
blokowy pętli fazowej synchronizującej przekształtnik częstotliwości sieci lądowej z siecią
okrętową. Zadaniem układu PLL jest utrzymanie zgodności fazowej napięcia sieci okrętowej
(
– wektory napięcia trójfazowego na GTR – główna tablica rozdzielcza ang. MSN
–Main Switch Board) z napięciem wyjściowym przekształtnika częstotliwości systemu STS
– wektory napięcia trójfazowego przekształtnika AC/AC).
(
Analiza układu w oparciu wartości chwilowe napięć ma ograniczenia [8], dlatego też do
opisu, analizy i sterowania przekształtnika częstotliwości zastosowano pojęcie wektora
przestrzennego. Wielkości chwilowe trójfazowe napięć
na podstawie teorii
składowych symetrycznych przekształcane są do równoważnego wirującego układu
kartezjańskiego dwufazowego
(Transformata Parka) [9] (6).


(6)
Rys. 5. Block diagram of the PLL to synchronize the converter with the ship network
- vectors voltages of ship network (Main Switch Board)
- vectors voltages of converter AC/AC
3. BADANIA UKŁADU SYNCHRONIZACJI
Badania symulacyjne układu synchronizacji elektroenergetycznej sieci lądowej z
autonomiczną siecią okrętową z wykorzystaniem układu pętli fazowej PLL wykonano przy
użyciu pakietu MATLAB-SIMULINK. Zamodelowano układ jak na rysunku 6.
5
Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013
Rys. 6. The simulation model of synchronization in the STS system using PLL
Dane symulacji: Prdnica synchroniczna: 400V, 50 Hz, 600 kVA, Inverter IGBT sterowany PWM
Obciązenie 500 kW, 288 kVAR, Transformator 1 MVA, 50 Hz, Czestotliwosc próbkowania 1Mhz
Dla prawidłowego sterowania przekształtnikiem częstotliwości w celu konwersji układu
abc do dq i odwrotnie (Transformata Parka) jest niezbędne zastosowanie generatora
sinus_cosinus Sygnał sinus_cosinus musi być ściśle zsynchronizowany z „miękką” siecią
okrętową. Wykorzystane w tym celu zostały napięcia fazowe fazy (Ua MSB) i napięcie
międzyprzewodowe pomiędzy fazami (Uab MSB), które to napięcia są ortogonalne.
Rysunek 7 i 8 przedstawiają wyniki badań symulacyjnych układu synchronizacji sytemu
STS z wykorzystaniem pętli fazowej PLL. Rysunek 7 przedstawia przebiegi czasowe napięć
fazowych sieci okrętowej i sieci lądowej podczas synchronizacji, a rysunek 8 przedstawia
przebieg czasowy błędu synchronizacji.
U [V]
800
Ua MSB
600
400
200
0
-200
-400
-600
Ua CONV
-800 0
20
40
60
80
100
T [ms]
Rys. 7. Voltage Waveform of Phase "a" Ua MSB of ship network and Voltage Waveform of Phase "a" of
converter STS system Ua CONV during synchronization with using PLL
6
Management Systems in Production Engineering No 3(11), 2013
U[V]
300
250
200
150
100
50
0
-50
-100
0
20
40
60
80
100
T[ms]
Rys. 8. Timing synchronization error with using PLL
4. WNIOSKI
Zapewnienie bezprzerwowej pracy okrętowych urządzeń elektrycznych jest związane
bezpośrednio z bezpieczeństwem statku. Przejście na elektryczne zasilanie statku z lądu
podczas postoju w porcie musi się odbywać z wykorzystaniem procesu synchronizacji sieci
energetycznej lądowej i okrętowej. Przedstawiona w artykule koncepcja układu
synchronizacji z wykorzystaniem pętli sprzężenia fazowego PLL pokazuje zalety:
 wysoka dynamika układu synchronizacji – połączenie sieci może być realizowane już
po około dwóch okresach (40 ms)
 „dopasowywanie” sieci lądowej (nieobciążonej przed podłączeniem) do „miękkiej”
sieci okrętowej
5. LITERATURA
[1] Tarnapowicz D., Borkowski T., Nicewicz G.: Ships moored in the port with threat to the
natural environment. Management Systems in Production Engineering 2012/2/22.
[2] Tarnapowicz D.: An alternative power supply: the use of ships in port as an
environmentally friendly solution. Management Systems in Production Engineering
2011/304.
[3] EU (2006/339/EC) COMMISSION RECOMMENDATION of 8 May 2006 On the
promotion of shore-side electricity for use by ships at berth in Community ports (Text
with EEA relevance).
[4] Białek R, Gnat K.: Elektrotechnika dla studentów Wydziału Nawigacyjnego"; skrypt
WSM Szczecin 2000.
[5] Grono A, Redlarski G, Zawalich J.: Komputerowe wspomaganie badania układów
automatycznej synchronizacji prądnic. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 2005.
[6] SELCO, Protection relays and controls catalog may 2012.
[7] Piróg S i inni,: Metody synchronizacji przekształtników energoelektronicznych z siecią
zasilającą. Przeglad Elektrotechniczny 2/2010.
[8] F. D. F. Fernández, Contributions to Grid-Synchronization Techniques for Power
Electronic Converters. Vigo University Department of Electronic Technology. 9 June
2009.
[9] Park R., Two reaction theory of synchronous machines, AIEE Transactions, vol. 48, pp.
716–730, 1929.
7