Układy energoelektroniczne w systemach - Smartgrid

Transkrypt

Ryszard STRZELECKI
rstrzele@am gdynia pl
[email protected]
KRAKÓW, 20 kwietnia 2010
Wprowadzenie – cel referatu
Cel referatu
Przedstawienie miejsca oraz możliwości
zastosowania
nowoczesnych
układów
energoelektronicznych ( ) w systemach
dystrybucji energii elektrycznej (
), w tym
z uwzględnieniem systemów z udziałem
źródeł rozproszonych/alternatywnych.
p
y /
y y
Dodatkowym celem jest przedstawienie
wybranych
rozwiązań
praktycznych,
ilustrujących częściowo możliwości krajowego
potencjału naukowego.
Koncepcja „inteligentnej
Koncepcja
inteligentnej” sieci sieci
elektroenergetycznej
2
Plan referatu

Istota energoelektroniki

Miejsce energoelektroniki w elektroenergetyce

Układy energoelektroniczne ( ) w systemach z alternatywnymi źródłami energii elektrycznej ( )

Układy energoelektroniczne (
) jako sprzęgi i sterowniki sieciowe

Układy energoelektroniczne (
elektrycznej ( )
) do poprawy jakości energii
Wybrane krajowe
W
b
k j
rozwiązania prototypowe
i
i
‐ falownik 4‐poziomowy 6kV/1MVA
quasi‐ZZ falownik do źródeł niskonapięciowych
falownik do źródeł niskonapięciowych
‐ quasi
‐ układ APF dużej mocy z filtrem sprzęgającym LCL
‐ prostownik 18‐pulsowy z dławikami sprzężonymi

Podsumowanie
3
Technika impulsowego przetwarzania sygnałów + Technika związana z wysokosprawnym przekształcaniem, sterowaniem i dopasowaniem parametrów energii elektrycznej, w zależności od parametrów źródła zasilania i potrzeb ó
ii l k
j
l ż ś i d
ó ź ódł
il i i
b
urządzeń zasilanych, z zastosowaniem Proces przepływu energii ze źródła do zasilanego urządzenia ( b i ż i
(obciążenia, odbiornika) dbi ik )
powinien odbywać się przy: 9 wysokiej sprawności i dużej niezawodności Ogólna struktura układu energoelektronicznego
9 małych gabarytach i ciężarze przekształtnika oraz niskich
przekształtnika oraz niskich kosztach
4
Interdyscyplinarny charakter energoelektroniki
Teoria
obwodów
Symulacja
y
j
i obliczenia
Teoria systemów
i sterowania
Fizyka ciała
stałego
Przetwarzanie
sygnałów
Elektronika
Elektromagnetyzm
Maszyny
elektryczne
Systemy
energetyczne
5
Najważniejsze obszary zastosowań ‐ zestawienie
Energetyka wiatrowa (1); Magazynowanie (2); Zasilanie ze źródeł niskonapięciowych (3); Sprzęganie sieci (4); Poprawa jakości (5); Sterowanie przesyłem (6); 6
Systemy przesyłowe
Energoelektronika
w systemach przesyłu prądem
stałym
t ł – systemy
t
HVDC
Energoelektronika
e goe e t o a
w systemach przesyłu prądem
przemiennym – systemy FACTS:
kompensatory równoległe (SVC,
(SVC STATCOM),
STATCOM) kompensatory szeregowe (TCSC,
(TCSC TSSC,
TSSC SSSC),
SSSC)
przesuwniki fazowe (SPS), zunifikowane sterowniki przepływu mocy (UPFC)
7
Systemy dystrybucji (1)
Zastosowania (ogólnie):
• dopasowanie parametrów i sprzęganie
rozproszonych źródeł alternatywnych/
odnawialnych z linią zasilającą lub
lokalnym odbiorcą, oraz sterowanie poborem EE z tych źródeł,
• d
dopasowanie
i parametrów
tó
i sprzęganie
i
zasobników energii z linią zasilającą, oraz
sterowanie wymianą EE pomiędzy
zasobnikami a linią
• poprawa jakości zasilania i odbioru EE, w
tym, między innymi: dopasowanie
poziomów
i ó oraz kompensacja
k
j zapadów
dó i
chwilowych wzrostów, a także niesymetrii i
odkształceń napięcia zasilającego, oraz
kompensacja odkształceń,
odkształceń niesymetrii i
przesunięć fazowych prądu odbiornika
Energoelektronika w systemach Energoelektronika
w systemach
ze źródłami alternatywnymi 8
Systemy dystrybucji (2)
Energoelektronika w systemach magazynowania i odbioru energii elektrycznej
Energoelektronika w systemach magazynowania i odbioru energii elektrycznej 9
UE w systemach z alternatywnymi źródłami EE
Instalacje wiatrowe (1)
Podstawowe rodzaje generatorów
turbin wiatrowych
10
Instalacje wiatrowe (2)
Typowe połączenie farm wiatrowych: i
h
1) farma z kompensatorem mocy bi
biernej (
j( ‐
l b
lub )
), 2) farma ze wspólnym sprzęgiem DC z siecią zasilającą, 3) farma z indywidualnym sterowaniem mocą, 4) farma
farma z wewnętrzną siecią DC i z wewnętrzną siecią DC i
indywidualnym sterowaniem mocą
11
Zasobniki energii
Zastosowanie zasobnika energii do kompensacji pulsacji mocy czynnej na odpływie farmy wiatrowej
d ł i f
i t
j
Przykład kontenerowego zasobnika kinetycznego
b k k
12
Systemy ze źródłami niskonapięciowymi (1)
Typowe konfiguracje systemów zasilania z y
ogniwami PV
Przykładowe połączenia ogniw PV
i PV z siecią i i
dystrybucyjną
13
Systemy ze źródłami niskonapięciowymi (2)
FC
FC
FC
FC
FC
FC
Równoległe i szeregowe połączenia modułów FC w stosy i ich charakterystyki
14
Systemy wspomagania zasilania odbiorców indywidualnych w W ir n ik D a rri e u s ’a Cichobieżna turbina wiatrowa
Cichobieżna turbina wiatrowa
Wirnik Savonius’a
ty p u H Bateria PV
Bateria PV
Kolektor słoneczny
Kolektor słoneczny
Ciepłe
powietrze
v
∆T
G2
P1
DC
AC
DC
P3‐2
DC
DC
S p r zę g łło
Generatory
AC
G1
DC
DC
P3‐1
C
Rozszerzenie DC
AC
Buforowy zasobnik enerrgii
W
Cichobieżna turbina
Darrieus + Savonius, z wolnoobrotowym generatorem tarczowym
(rozszerzony zakres zmian prędkości wiatru), Odbiorca
indywidualny
DC
P i as ta
SDEE
AC
AC
P4
P5
DC
DC P2
A
Przykład systemu
15
UE jako sprzęgi i sterowniki sieciowe
Sprzęgi sieciowe z pośredniczącym obwodem DC
P1 =
VF 1 ⋅ VS1
⋅ sin δ1
X1
Q1 =
VF 1 ⋅ VS1
V2
cos δ1 − F 1
X1
X1
P2 =
VF 2 ⋅⋅V
VS 2
⋅ sin δ 2
X2
Q2 =
VF 2 ⋅ VS 2
V2
cos δ 2 − F 2
X2
X2
P1 = PDC = − P2
PDC = VDC1 ⋅ I DC = VDC 2 ⋅ I DC
Typowy symetryczny sprzęg sieciowy „
Typowy
symetryczny sprzęg sieciowy
z pośredniczącym obwodem napięcia stałego
” 16
Sprzęgi sieciowe z pośredniczącym obwodem w. cz.
a) b) Transformator „
”, a) przykładowy schemat
b) porównanie z transformatorem konwencjonalnym
17
Międzyliniowe sterowniki przesyłu mocy ‐
S
System
Liniat 1 1
X1
Linia 2 2
System
X2
~
E(1)
~
E(2)
~
E(N)
System
Główny
E(0)
~
X0
XN
Linia N N
System
SSSC (N)
SSSC(N)
SSSC (2)
SSSC(2)
SSSC ( 1)
SSSC(1)
(FALOWNIK)
(FALOWNIK)
(FALOWNIK)
(FALOWNIK)
(FALOWNIK)
(FALOWNIK)
‐ Interlinie Power Flow
Interlinie Power Flow Controller) Controller)
GRUPA 1
VSG
STATCOM
STATCOM
MRG
ES
ESE
E
(FALOWNIK)
(FALOWNIK)
B1-1
H
G
VSG
P
P
B M-1
P
STEROWANIE
STEROWANIE
Przykład zastosowania układu do bilansowania mocy pomiędzy grupami
odbiorców/dostawców , wspomaganych ze źródeł lokalnych
GRUPA 2
GRUPA 3
SYSTEM
E(0)
ESE
IPFC
GRUPA N
18
Zastosowania w mikrosieciach – bilansowanie i oszczędności Sieć AC-1
X1
S‐APF(1)
(Falownik)
Sieć AC-N
XN
System-1
E(0)
~
f1
X1G
~
E(1)
f1
~
E(N)
f1
S‐APF(N)
(Falownik)
System-2
DC
X2G
~
S‐APF(M')
(Falownik)
E'(0)
f2
X'M
E'(M)
f2 ~
Sieć AC-M'
S‐APF(1')
(Falownik)
X'1
E'(1)
~
f2
Sieć AC-1'
VSI(1")
VSI(K")
Zasobnik
(Front‐End) (Front‐End) energii
X"1
~
DC/DC
Przekształtnik
X"K
E"(1)
f=var
~
E"(K)
f=var
E1DC E2DC
ELDC
Ocena probabilistyczna
Ogólny schemat mikrosieci 19
Miejsce Sieć ppubliczna
w mikrosieciach Elektroenergetyczna sieć dystrybucyjna
PCC
Optymalizacja
Synchronizacja
D
Dyspozycja
j
Zabezpiecznia
Poziom 3:
………
Odbiór AC
Poziom 2:
………
Optymalizacja
Synchronizacja
D
Dyspozycja
j
Zabezpiecznia
………
Odbiór AC
Odbiór AC
Odbiór AC
Sprzęg AC
Sprzęg AC
Sprzęg AC
Sprzęg AC
Sprzęg AC
Sprzęg AC
Falownik
Falownik
Falownik
Falownik
Falownik
Falownik
Odbiór DC
Odbiór DC
Odbiór DC
Sprzęg DC
Poziom 1:
………
Odbiór DC
Sprzęg DC
DC DC
DC-DC
lub
AC-DC
DC DC
DC-DC
lub
AC-DC
DC-DC
DC DC
DC-DC
lub
AC-DC
DC DC
DC-DC
lub
AC-DC
DC-DC
Generator
rozproszony
Generator
rozproszony
Zasobnik
energii
Generator
rozproszony
Generator
rozproszony
Zasobnik
energii
Ogólna struktura hierarchiczna mikrosieci hybrydowej ze sprzęgami DC i AC
20
UE do poprawy jakości EE
Cechy jakości...
Niezawodność zasilania (przerwy, zaniki)
Symetria odbioru (prądów)
St ł ść
Stałość częstotliwości
t tli ś i
W ół
Współczynnik mocy: ik
Poziom napięcia
a)
Wahania napięcia (zapady, podskoki, Wahania
napięcia (zapady, podskoki,
flicker)
b)
kształt prądu (harmoniczne, interharmoniczne)
przesunięcie fazowe prądu
przesunięcie fazowe prądu
Symetria napięć
Stacjonarność (udary mocy, subharmoniczne)
Kształt napięcia
Poziom zaburzeń w.cz. (EMI)
...energii elektrycznej
ii l k
j
21
Sposoby poprawy niskiej jakości
• Rekonfiguracja, modernizacja i zwiększenie mocy linii zasilającej, w tym zamiana
odbiorników na nowoczesne układy o jednostkowym współczynniku mocy
• Zastosowanie konwencjonalnych urządzeń kompensacyjno‐filtracyjnych, w tym filtrów
bi
biernych
h LC (właściwości
( ł ś i ś i zależne
l ż
od
d parametrów
t ó linii
li ii zasilającej)
il j j) oraz równoległych
ó
l ł h
kompensatorów tyrystorowych /
lub
/
• ZZastosowanie
t
i układów
kł dó energoelektronicznych
l kt i
h pełniących
ł i
h funkcję
f k j sterowanych
t
h źródeł
ź ód ł
prądu lub napięcia, w tym tzw. energetycznych kompensatorów/filtrów aktywnych (
),
umożliwiających natychmiastową kompensację odchyleń wartości chwilowych napięć lub
prądów od przebiegów zadanych
• Połączenie układów
z zainstalowanymi wcześniej filtrami biernymi LC lub innymi
kompensatorami konwencjonalnymi, w tym połączenie w integralny system hybrydowy,
pozwalające zmniejszyć wymaganą moc gabarytową układów aktywnych
22
Równoległe kompensatory hyristor
ontrolled
eactor
Tyrystorowy
Tyrystorowy sterownik prądu
indukcyjnego
i Tyrystorowy łącznik Tyrystorowy
łącznik
baterii kondensatorów
Statyczny kompensator mocy przesunięcia ( tatic ar ompensator)
hyristor
witched
apacitor
Zastosowania:
• Kompensacja mocy przesunięcia
• Kompensacja flicker’a
• Opcjonalnie – filtracja y (
)
harmonicznych (dla LC) Problemy:
• Niska częstotliwość kompensowanych zaburzeń – max. ok. 15 Hz
• Zależność właściwości kompensacyjnych od napięcia linii
ę
p y ą
(
),
pą (
)
• Przetężenia przy załączaniu (dla TSC), odkształcenia prądu (dla TCR)
• Procesy przejściowe
23
Klasyfikacja układów Układy równoległe/prądowe Układy
równoległe/prądowe
)
(
S
L
S
C
S
DC
)
Kompensacyjne
p
yj
Układyy szeregow
wo‐równo
oległe (
Układy szeregowe/napięciowe y
g
/ pę
(
)
Wymuszające y
ją
Zbilansowane
DC-AC
24
Zastosowania układów Zaburzenia jakości od strony zasilania
Zaburzenia jakości
od strony odbiorcy
Układ Równoległy ‐ kompensacja harmonicznych prądu ( ‐
)
‐
‐
‐
‐
Szeregowy
( ‐
)
do poprawy jakości kompensacja prądu biernego
łłagodzenie udarów prądowych
d
d ó
d
h
symetryzacja prądów
łagodzenie flicker’a
‐ blokowanie przepływu harmonicznych prądu
‐ łagodzenie harmonicznych napięcia
‐ blokowanie harmonicznych napięcia ‐ podtrzymanie zasilania (UPS)
‐ sprzęganie zasobników energii z b kó
systemem EE
‐ sprzęgi linii zasilających
‐ kompensacja harmonicznych napięcia
‐ stabilizacja poziomu napięcia
‐ kompensacja zapadów i podskoków napięcia
‐ symetryzacja napięć
‐ kompensacja flicker’a
25
Kompensacja harmonicznych prądu za pomocą układów Przebiegi oraz widma prądów w typowym kompensatorze z układem
Przebiegi oraz widma prądów w typowym kompensatorze z układem THD(IS)= 2,86 %
THD(IL)=29,75 %
MAPF‐1
400 V/75kVA
Układ (
) został zastosowany na świecie po
zastosowany na świecie po raz pierwszy w 1982 r.
Pierwszy krajowy prototyp układu
układu o mocy
o mocy powyżej 50 kVA (1998 r.)
26
Kompensacja prądu biernego za pomocą układów ‐
Charakterystyki I/U kompensatorów
Charakterystyki I/U kompensatorów
VC
VT
IC= 0
Typu ‐
)
Uwzględniając sposób dołączenia układu i
działanie
VL= 0
Konwen
ncjonalneggo (
IC
VL
VC
VT
VL
VT IC
VC
IC ‐ pojemnościowy IC ‐ indukcyjny
‐
umożliwia dynamicznie:
• odciążenie linii od prądów biernych, • stabilizację napięcia przy zbyt dużym i małym obciążeniu
małym obciążeniu • podtrzymanie napięcia w następstwie przerwy zasilania przy zastosowaniu g
( p
dodatkowego zasobnika (np. baterii akumulatorów) 27
Zmniejszenie zapadów napięcia za pomocą układu /
+
N
Na przykła
ad:
• przepom
mpownie rrurociągów
w
niki taśmo
owe dużejj mocy • przenośn
Rozruch silników klatkowych dużej mocy
Względne zapady napięcia podczas j
y
rozruchu w funkcji mocy silnika, bez i z układem / (±2MVAr )
28
Blokowanie harmonicznych napięcia za pomocą układów Rozwiązanie do kontroli odkształcenia napięcia (jakości dostawy )
Schemat systemu filtracji aktywnej z
realizujących
rozproszonymi układami
zasadę blokowania harmonicznych napięcia
w
punktach
PCC
(bocznikowania
harmonicznych prądu)
Każdy układ
jest widziany od strony
j o sterowanejj admitancji.
j
sieci jjako dwójnik
bezpośrednia kontrola odkształcenia napięcia w PCC; brak problemów związanych z
bilateralnym oddziaływaniem układów P‐APF, prosta rozbudowa, mniejsza liczba czujników
29
Blokowanie przepływu harmonicznych prądu za pomocą VLac
Zasada blokowania prądu →∞
ISa
VCa
Przykładowe przebiegi P
kł d
bi i
prądów i napięć
Uproszczony schemat układu blokowania z układem 30
Kompensacja zapadów napięcia – układy Umiejscowienie obszary pracy układu
w W przypadku zaburzeń napięcia, układ
( ynamic oltage estorer) w sposób
dynamiczny doprowadza do odtworzenia wymaganego napięcia na zaciskach odbiornika
(z wyłączeniem przerw w zasilaniu oraz odchyleń częstotliwości).
Wł ś i ś i kł dó
Właściwości układów , oprócz
ó ich
i h topologii,
l ii w dużym stopniu determinuje d ż
i d
i j
przyjęta strategia sterowania
31
Podstawowe strategie sterowania układami wg napięcia wg
napięcia
„sprzed zapadu”
treg → min ;
PC ↑↑
U C ↑↑ ; S DVR ↑↑
„w fazie
„w
fazie” z napięciem z napięciem
linii podczas zapadu
treg ↑ ; PC ↑
U C → min ; S DVR → min
„z minimalną energią
„z
minimalną energią”
pobieraną ze źródła
treg ↑↑ ; PC → min
U C ↑ ; S DVR ↑
U CP
U CQ
U CQ
U CQ
U CP
U CP
32
Wybrane krajowe rozwiązania prototypowe
Falownik 4‐poziomowy 6kV/1MVA (docelowo w układzie ‐
Przebieggi prądu i napięcia ssilnika 6kV
V/0,5MVA
A podcczas prób przy obciiążeniu 20
00 kW
Stan ustalony
Stan ustalony
Rozruch
)
Hamowanie
Schemat, konstrukcja oraz prądy i napięcia wyjściowe
33
uasi‐ falownik do źródeł niskonapięciowych
C1
L1
L2
IWEJ
UWEJ
C2
Schemat układu
Schemat układu UDC
UWYJ
Widok prototypu laboratoryjnego
Widok prototypu laboratoryjnego Wybrane oscylogramy prądów i napięć w układzie 3‐fazowym
34
Układ ‐
dużej mocy z filtrem sprzęgającym LCL (1)
Konstrukcja i schemat połączeń kj i h
ł
ń ‐
w układzie zasilania maszyny wyciągowej kł d i
il i
i
j
w kopalni węgla kamiennego „Bogdanka”
35
dużej mocy z filtrem sprzęgającym LCL (2)
Widok układu i wyniki badań eksperymeentalnych w kopalni
Wyn
niki badań porównaawczych u
układu z dłławikiem L i z filtrem LCLL
Układ 36
Prostownik 18‐pulsowy z dławikami sprzężonymi
Schemaat i widok konstrukccji

bez dodatkowego obwodu
THD(IS)=18,2%
z dławikiem sieciowym
THD(IS)=5,2%
‐
z układem ‐
THD(IS)=2,6%
Napięcia UB oraz prądy sieci IS w zależności od obwodu włączonego między węzłami A‐B 37
Podsumowanie
9 Nowoczesne UE pozwalają na pełniejsze wykorzystanie istniejącej struktury
, z zachowaniem a nawet poprawą dotychczasowego stanu
bezpieczeństwa zasilania i jakości .
9 Współczesne technologie energoelektroniczne przeznaczone dla
zdecydowanie górują nad technologiami tradycyjnymi, opartymi o
elementy bierne LC i mechaniczne urządzenia łącznikowo‐sprzęgające, a
nawet tyrystory konwencjonalne.
9 Istotne
I t t znaczenie
i ma skuteczność
k t
ść i szybkość
bk ść działania
di ł i
, co umożliwia
żli i
płynną i dynamiczną regulację parametrów nadążającą za zmianami w
odbiorach i w konfiguracji sieci.
mogą też zazwyczaj realizować
jednocześnie wiele funkcji związanych z kondycjonowaniem .
9 Można się spodziewać, że wraz z rozwojem małej energetyki lokalnej oraz
realizacją koncepcji zasilania rozproszonego
spełniające różne funkcje
staną się standardowym wyposażeniem urządzeń rozdzielczych.
9 Autorzy mają nadzieję, że niniejszy referat okaże inspirujące działanie w
poszukiwaniu
ki
i
niekonwencjonalnych,
i k
j
l h oryginalnych
i l h i uzasadnionych
d i
h
rozwiązań w omawianym obszarze.
38