BUDOWA ORAZ ALGORYTM STEROWANIA PRZEKSZTAŁTNIKA

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
No 80
Electrical Engineering
2014
Michał KRYSTKOWIAK*
Adam GULCZYŃSKI*
BUDOWA ORAZ ALGORYTM STEROWANIA
PRZEKSZTAŁTNIKA ENERGOELEKTRONICZNEGO
ZAIMPLEMENTOWANEGO W NIEKONWENCJONALNYM
SYSTEMIE MINI ELEKTROWNI WODNEJ DEDYKOWANEJ
DLA JEDNOSTEK JACHTOWYCH
W artykule zaprezentowano opracowany, niekonwencjonalny system zasilania jednostek
jachtowych. Bazuje on m.in. na oferowanym na rynku tzw. silniku manewrowym, który
zaadaptowano do pracy generatorowej. Dodatkowo zaimplementowano przekształtnik
energoelektroniczny DC/DC dopasowujący parametry wytwarzanej energii elektrycznej przy
zmieniających się warunkach pracy całego systemu. Przedstawiono opracowany algorytm
sterowania MPPT (Maximum Power Point Tracking) umożliwiający maksymalizację
sprawności całego systemu oraz wymieniono ważniejsze funkcje systemu zabezpieczeń.
SŁOWA KLUCZOWE: przekształtnik DC/DC, silnik manewrowy, turbina, algorytm MPPT
1. OGÓLNA KONCEPCJA ALTERNATYWNEGO SYSTEMU
ZASILANIA JEDNOSTEK JACHTOWYCH
Zaprezentowany w artykule system alternatywnego zasilania jednostek
jachtowych został zrealizowany dla firmy EUROTECH-JACHT [1] w ramach
stażu organizowanego przez Urząd Marszałkowski Województwa Wielkopolskiego
z siedzibą w Poznaniu [2]. System ten dedykowany jest przede wszystkim dla
jednostek jachtowych, które nie dysponują spalinowym silnikiem stacjonarnym
sprzężonym z alternatorem. W takim przypadku jedynym źródłem energii
elektrycznej na zwodowanym obiekcie są najczęściej zainstalowane akumulatory,
które jednak wymagają doładowywania. Wiąże się to często z koniecznością
przerwania rejsu ze względu na ładowanie za pomocą urządzeń zainstalowanych na
lądzie (wymagających zwykle dostępu do sieci napięcia przemiennego 230 V).
Pewną alternatywą jest stosowanie, np. ogniw fotowoltaicznych. Jednak ze
względu na ich koszt, znaczne gabaryty oraz trudności wynikające z samego
__________________________________________
* Politechnika Poznańska.
28
Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński
montażu (często brak miejsca na pokładzie) jest to rozwiązanie wielokrotnie
nieuzasadnione ekonomiczne, zwłaszcza w naszej strefie klimatycznej.
W ramach prowadzonych prac zaproponowano rozwiązanie umożliwiające
doładowywanie akumulatorów oraz zasilanie opcjonalnych odbiorników
zainstalowanych na pokładzie jednostki pływającej w trakcie rejsu wykorzystując
konwersję energii przepływu wody na energię elektryczną (green energy). Jako źródło
energii elektrycznej wykorzystano generator elektryczny napędzany turbiną wodną
bazujący na powszechnie instalowanych na jachtach tzw. silnikach manewrowych
doczepianych do tylnej części kadłuba w sposób przedstawiony na rys. 1.
Rys. 1. Sposób montażu silnika manewrowego (rysunek poglądowy)
W celu m.in. zapewnienia wymaganych parametrów energii elektrycznej
generowanej
przez
generator
bazujący
na
silniku
manewrowym
zaimplementowano urządzenie HPS 01 (nazwa własna autorów urządzenia – skrót
z języka angielskiego: Hydrous Power System), którego podstawowym
podzespołem jest przekształtnik energoelektroniczny DC/DC typu boost [3] o
wysokim współczynniku sprawności. Opracowano również niekonwencjonalny
algorytm sterownia MPPT (Maximum Power Point Tracking), który następnie
zaimplementowano w zrealizowanym procesorowym układzie sterowania,
pełniącym również funkcję rozbudowanego układu zabezpieczeń (na poziomie
programowym, jak i sprzętowym).
Niewątpliwą zaletą przedstawianego systemu alternatywnego zasilania jest
możliwość wykorzystania typowych zespołów manewrowych z mechanicznym
regulatorem prędkości, co radykalnie ogranicza koszty inwestycji. W skład takiego
zespołu wchodzą: turbina wodna (z łopatami o odpowiedniej geometrii),
komutatorowy silnik prądu stałego, mechaniczny rezystancyjny regulator prędkości
oraz elementy montażowe i przewody łączeniowe z zaciskami. Należy podkreślić,
że sama instalacja podzespołów prezentowanego systemu na pokładzie jednostki
pływającej nie wymaga specjalistycznej wiedzy i może zostać wykonana
samodzielnie przez użytkownika końcowego. Ze względu na ukształtowanie łopat
turbiny w celu uzyskania większej sprawności w trybie pracy generatorowej zaleca
się jednak obrócenie zespołu manewrowego o 180 stopni względem
standardowego sposobu montażu pokazanego na rys. 1.
Budowa oraz algorytm sterowania przekształtnika energoelektronicznego …
29
2. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA URZĄDZENIA HPS 01
(HYDROUS POWER SYSTEM)
2.1. Część silnoprądowa systemu
Schemat blokowy ilustrujący sposób podłączenia opracowanego w ramach
stażu urządzenia HPS 01 do instalacji pokładowej jachtu zaprezentowano na rys. 2.
Blok o nazwie (DC/DC BOOST) reprezentuje przekształtnik energoelektroniczny
umożliwiający podwyższenie wartości średniej napięcia wyjściowego. Wyboru
optymalnej struktury części silnoprądowej dokonano uwzględniając m.in.: zakres
zmian napięcia wyjściowego generatora uzależniony od przepływu wody na skutek
zmiennej prędkość jednostki pływającej (decydujący o wyborze przetwornicy
DC/DC typu boost, buck albo buck-boost), zmiany warunków obciążenia
generatora (zakres zmian mocy generowanej, dopuszczalne
obciążenie
generatora). Podzespoły części silnoprądowej dobrano w taki sposób, aby możliwie
zminimalizować straty energii, a tym samym zwiększyć współczynnik sprawności.
Rys. 2. Sposób podłączenia urządzenia HPS 01 do silnika manewrowego oraz elementów instalacji
pokładowej (akumulatora i odbiorników)
Zastosowanie urządzenia HPS 01 nie ogranicza funkcjonalności zespołu
manewrowego. Wyboru odpowiedniego trybu pracy dokonano ustawiając
przełącznik umieszczony na przedniej ściance urządzenia stanowiącej panel
użytkownika (rys. 3).
W przypadku wyboru pozycji (SILNIK), zespół manewrowy pracuje zgodnie ze
swoim pierwotnym przeznaczeniem. W tym przypadku przekształtnik
energoelektroniczny nie uczestniczy w przekazywaniu energii z akumulatora do
silnika.
30
Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński
Rys. 3. Panel sterownia i kontroli urządzenia HSP 01
Natomiast w przypadku ustawienia przełącznika w pozycji (GENERATOR),
następuje aktywacja modułu przekształtnika typu boost. Przekształtnik ten
podwyższa wartość średnią napięcia wyjściowego w stosunku do wejściowego.
Uproszczony schemat ideowy jego części silnoprądowej w przypadku obciążenia o
charakterze rezystancyjnym zaprezentowano na rys. 4. W opisywanej aplikacji
funkcję odbiornika spełnia natomiast obowiązkowy akumulator oraz opcjonalne
odbiorniki zainstalowane na pokładzie jednostki pływającej.
Rys. 4. Schemat ideowy części silnoprądowej przetwornicy DC/DC typu boost
Jeżeli prędkość jachtu (prędkość obrotowa turbiny wodnej) osiągnie minimalną
wartość wymaganą, to proces ładowania akumulatorów/zasilania odbiorników
zostanie rozpoczęty. Silnik manewrowy spełnia w tym trybie funkcję generatora
energii elektrycznej, natomiast urządzenie HPS 01 dopasowuje parametry energii
do wymagań akumulatora i zasilanych odbiorników z uwzględnieniem
maksymalnej wydajności całego systemu m.in. dzięki zaimplementowanemu
algorytmowi sterowania MPPT.
Kontrola i sterowanie poszczególnymi parametrami odbywają się w sposób
automatyczny bez ingerencji użytkownika końcowego, który jednak ma możliwość
podglądu wybranych wielkości i stanów układu za pomocą wbudowanego
wyświetlacza oraz diody sygnalizującej ładowanie/zasilanie (rys. 3).
Budowa oraz algorytm sterowania przekształtnika energoelektronicznego …
31
2.2. Cyfrowy system sterowania i zabezpieczeń
Cyfrowy układ sterownia oraz zabezpieczeń zrealizowano na bazie
zaprojektowanego i wykonanego systemu procesorowego z wykorzystaniem
mikrokontrolera firmy Atmel [4]. W trakcie opracowywania algorytmu sterowania
należało uwzględnić wiele czynników. Do najważniejszych można zaliczyć:
 zamianę przepływu strumienia wody zależnego od prędkości liniowej
płynącego jachtu (zmienna prędkość kątowa łopat turbiny wodnej zespołu
manewrowego),
 zakres zmian poboru mocy z generatora elektrycznego przez urządzenia
pokładowe oraz doładowywany akumulator,
 dopuszczalny zakres zmian napięcia wyjściowego generatora oraz przetwornicy
DC/DC typu boost,
 dopuszczalne obciążenie prądowe wybranych komponentów wchodzących w
skład przekształtnika i generatora,
 zabezpieczenie przed przeładowaniem akumulatorów (tryb podtrzymania),
 wybór optymalnego punktu pracy dla całego systemu.
W celu zapewnienia maksymalnej efektywności całego systemu: turbina wodna
 generator – przekształtnik energoelektroniczny – akumulator oraz odbiorniki
opracowano algorytm MPPT (Maximum Power Point Tracking) [5]. Jego ideę
zaprezentowano na Rys. 5. Można w nim wydzielić dwie główne pętle.
Pierwsza pętla odpowiedzialna jest za modyfikację współczynnika wypełnienia
impulsów (PWM) załączających tranzystor (T) części silnoprądowej
przekształtnika boost (Rys. 4). Proces ten odbywa się w określonych odstępach
czasu oznaczonych jako (PWM TIME) i jest zależny od drugiej pętli, która to
decyduje o kierunku zmian współczynnika wypełnienie o pewną stałą wartość
zdefiniowaną jako (PWM).
Zadaniem drugiej pętli algorytmu jest poszukiwanie maksymalnego prądu
wyjściowego przekształtnika, a w konsekwencji maksymalnej mocy, jaką można
uzyskać przy określonym punkcie pracy systemu. W zależności od wyniku
porównania wartości prądu wyjściowego (Iout) dla bieżącego punktu pracy z wcześniej
wyznaczoną wartością maksymalną, układ sterowania decyduje o kierunku zmian
współczynnika wypełnienia impulsów oraz poszukuje nowego maksimum mocy.
Porównanie to jest przeprowadzane z okresem określonym jako (MPPT TIME). W
celu minimalizacji prawdopodobieństwa błędnego określenia tendencji zmian prądu
wyjściowego (mocy) wprowadzono dodatkowo pewną histerezę (I).
W trakcie implementacji algorytmu prowadzono równolegle badania
symulacyjne części silnoprądowej i sterującej. Uwzględniono m.in. opóźnienia
wnoszone w tor sterowania przez filtry analogowe, przetworniki analogowocyfrowe oraz algorytmy obliczeniowe [6, 7].
32
Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński
Rys. 5. Idea algorytmu MPPT zaimplementowanego w urządzeniu HPS 01
Należy zaznaczyć, że wydajność samej turbiny wodnej zależna jest zarówno od
prędkości liniowej jachtu, jak i od prędkości kątowej łopat. Sytuację tę
przedstawiono za pomocą przykładowych charakterystyk na rys. 6. Dla danej
prędkości liniowej zwodowanego obiektu istnieje taka prędkość kątowa łopat, dla
której uzyskiwana moc jest największa. Głównym zadaniem algorytmu
przedstawionego na rys. 5 jest właśnie podążanie za punktem pracy
odpowiadającym maksymalnej wydajności turbiny.
Rys. 6. Przykładowe charakterystyki P() dla turbiny wodnej [5]
Budowa oraz algorytm sterowania przekształtnika energoelektronicznego …
33
Napięcie wyjściowe przekształtnika będącego głównym podzespołem
urządzenia HPS 01 równe jest napięciu na zaciskach podłączonego akumulatora.
Nie zakładano możliwości pracy systemu bez akumulatora, który i tak jest
wymagany na pokładzie jachtu.
3. PODSUMOWANIE
Urządzenie HPS 01 bazujące na przekształtniku energoelektronicznym DC/DC
typu boost stanowi główny podzespół prezentowanego systemu, umożliwiającego
konwersję energii przepływającej wody na energię elektryczną o pożądanych
parametrach. Zaprezentowane rozwiązanie dedykowane jest przede wszystkim dla
jednostek jachtowych niewyposażonych w stacjonarny silnik stacjonarny
sprzężony z alternatorem. Niewątpliwą zaletą opracowanego urządzenia jest fakt
możliwości wykorzystania powszechnie dostępnych na rynku typowych silników
manewrowych jako generatora elektrycznego napędzanego turbiną wodną bez
konieczności modyfikacji. Adaptacja do pracy generatorowej odbywa się poprzez
zainstalowanie opisywanego urządzenia i odpowiedni wybór trybu pracy przez
użytkownika końcowego.
Zaimplementowanie niekonwencjonalnego algorytmu sterowania pracą
przekształtnika oraz cyfrowego systemu zabezpieczeń umożliwia nie tylko
bezpieczną eksploatację, ale również uzyskanie możliwe dużej sprawności przy
zmiennych warunkach pracy systemu. Przeprowadzone badania w warunkach
laboratoryjnych, jak i na zwodowanej jednostce potwierdziły poprawność
funkcjonowania urządzenia (wyniki zostaną zaprezentowane w dalszych
publikacjach autorów). Mimo rozpoczętego procesu wdrażania na rynek
urządzenia, prowadzone są dalsze prace pozwalające rozszerzyć możliwości
prezentowanego urządzenia.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
www.eurotech-jacht.pl/pl/index.php?lang=pl
www.iw.org.pl/pl/
Nowak M., Barlik R., Poradnik Inżyniera Energoelektronika, WNT, Warszawa 1998.
www.atmel.com/products/microcontrollers/default.aspx?src=parent
Gulczyński A., Sterowanie małej elektrowni wiatrowej na maksimum mocy czynnej,
Poznan University of Technology Academic Journals 2012, s. 109-116.
[6] Kaczorek T., Teoria sterowania i systemów, Warszawa, PWN 1999.
[7] Krystkowiak M., Metody modelowania cyfrowych układów sterowania
przekształtników energoelektronicznych, MSiZwT’13, Kościelisko, s. 13-16.
34
Michał Krystkowiak, Adam Gulczyński
STRUCTURE AND CONTROL ALGORITHM OF POWER ELECTRONICS
CONVERTER IMPLEMENTED IN UNCONVENTIONAL MINI WATER PLANT
SYSTEM DEDICATED TO YACHTS
In this article the unconventional water power system for yachts was presented. It is
based on typical maneuvering engine, which was adapted to work as an electric generator.
Additionally power electronics DC/DC converter was used. With aid oh this converter we
can match parameters of produced energy. To improve the efficiency the elaborated
MMPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm was also implemented.