Wykorzystanie energoelektroniki w odnawialnych

Wykorzystanie energoelektroniki w odnawialnych
źródłach energii
Wiesława Malska, Kazimierz Buczek,
Politechnika Rzeszowska, Katedra Energoelektroniki i Elektroenergetyki, ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów, Polska,
e-mail:[email protected], [email protected]
Abstract: In the article there are shown the possible utilization the power
electronics in the renewable sources energy. Present the topologies the
power electronics converter interconnected the renewable resource
energy with power network. Present too systems of the power electronics converter using in the wind power plant and in the solar photovoltaic
plant.
Keywords: power electronics, renewable natural resources, power
generation
1.
Wstęp
Odnawialne źródła energii (OZE) są ostatnio coraz
częściej wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Główną przyczyną tej rosnącej popularności jest mała
szkodliwość OZE dla środowiska i niewyczerpywalność
zasobów. Cechy te odróżniają je od źródeł konwencjonalnych, których eksploatacja jest główną przyczyną niepokojących zmian klimatu, i których światowe zasoby prędzej czy później zostaną wyczerpane [4, 5 ,9]. Perspektywa wyczerpania się wszystkich tych surowców, jak również szkody, powodowane w środowisku przez ich wykorzystywanie, sprawiają, że poszukuje się alternatywnych
źródeł energii. Konsumpcja energii elektrycznej zarówno
w kraju jak i na świecie systematycznie wzrasta i obserwuje się stały trend do wzrostu instalowanych mocy użytkowych. Wytwarzanie, dystrybucja i użytkowanie energii
elektrycznej powinny być technologicznie wysokosprawne, a także intensyfikujące oszczędność i poszanowanie
energii przez użytkowników. Zmiany na rynku energii
wywołało zmniejszenie zainteresowania inwestycjami w
wielkie elektrownie, co wywołało wzrastającą potrzebę
rozwoju nowych źródeł energii. W rozwiązaniu przyszłych problemów energetycznych kluczową rolę odegrają dwa kierunki zmian technologicznych:
- pierwszy polegający na zastępowaniu konwencjonalnych źródeł energii opartych na węglu przez odnawialne źródła energii (OZE);
- drugi to szerokie zastosowanie wysokosprawnych i
niezawodnych przekształtników energoelektronicznych w
systemach wytwarzania, przesyłu i użytkowania energii
elektrycznej.
Dobrym przykładem może być energetyka wiatrowa,
która w ostatnim okresie dzięki zastosowaniu nowoczesnych przekształtników energoelektronicznych, pozwala
na przeobrażenia z mało znaczącego do liczącego się w
systemie energetycznym źródła energii. Podobny rozwój
obserwuje się w zakresie zainstalowanych technologii
fotowoltaicznych. Moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce to ~ 1095 MW (stan 30.09.2010 [1]).
Łącznie w Polsce posadowionych jest 378 koncesjonowanych źródeł energii, z których część posiada zakupione świadectwa pochodzenia na Towarowej Giełdzie
Energii i może sprzedawać energię elektryczną. Nasycenie elektrowniami wiatrowymi w Polsce należy do najniższych w Europie. Możliwość zaliczenia części energii
86
powstającej w procesach współspalania do energii odnawialnej, dla krajowych producentów energii, pojawiła się
po raz pierwszy z chwilą wejścia w życie rozporządzenia
Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia
30 maja 2003 r. w sprawie szczegółowego obowiązku
zakupu energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych źródeł energii oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła [2].
Produkcja energii elektrycznej z OZE z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego jest zdefiniowana w
ustawie [1] jako “stan gospodarki umożliwiający pokrycie
bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na paliwa i energię w sposób technicznie i ekonomicznie uzasadniony, przy zachowaniu wymagań ochrony
środowiska”. Pewność dostaw należy rozumieć jako zapewnienie stabilnych warunków, umożliwiających pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania gospodarki i społeczeństwa na energię odpowiedniego rodzaju i wymaganej jakości, realizowanych przez dywersyfikację kierunków dostaw oraz rodzajów nośników energii pozwalającej na ich wzajemną substytucję [10]. Produkcję energii elektrycznej w (MWh) przez poszczególne
technologie OZE w latach 2005 – 2009 wg raportu Urzędu Regulacji Energetyki [5] przedstawiono na wykresie 1.
Wykres 1. Produkcja energii elektrycznej w (MWh) przez poszczególne
technologie OZE w latach 2005 – 2009 [5]
5000000
elektrownie na biogaz
4000000
elektrownie na biomasę
3000000
elektrownie wiatrowe
2000000
elektrownie wodne
1000000
współspalanie
0
2005
2006
2007
2008
2009
W roku 2009 zostało zainstalowanych 38 GW nowych
mocy w energetyce wiatrowej. Energetyka wiatrowa na
świecie pod koniec roku 2009 była w stanie wytworzyć
około 340 TWh energii elektrycznej, czyli 2% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. W 2009 roku
moc zainstalowana na terenie UE wzrosła o 15,7 %. W
chwili obecnej energetyka wiatrowa może dostarczyć
około 165 TWh energii elektrycznej w przeciętnym roku
pod względem warunków wiatrowych, co odpowiada
5,5% łącznego zużycia energii elektrycznej w krajach
Unii Europejskiej w roku 2009. Ogólny trend wskazuje,
że rynek energetyki wiatrowej poszerza swoją bazę. Coraz większa liczba krajów zwiększa poziom mocy zainstalowanej. W 2009 roku 82 kraje wykorzystywały energe-
tykę wiatrową do przemysłowej produkcji energii, z czego 49 krajów zwiększyło poziom mocy zainstalowanej.
W roku 2009 Europejskie Stowarzyszenie Energetyki
Wiatrowej (ang. European Wind Energy Association
EWEA) zwiększyło swój cel na rok 2020 ze 180 GW
mocy zainstalowanej do 230 GW. Taka ilość mocy pozwoli na wytworzenie 600 TWh energii elektrycznej, co
stanowi 14% do 18% oczekiwanego zapotrzebowania na
energię elektryczną w Unii Europejskiej w roku 2020.
OZE pracują najczęściej w systemach Generacji Rozproszonej (GR). Przykładową strukturę GR pokazano na
rys.1. Centralnym blokiem jest przekształtnik energoelektroniczny, który stanowi sprzęg dopasowujący wejściową
energię elektryczną OZE do sieci elektroenergetycznej.
Wytwarzana energia elektryczna może być doprowadzona
bezpośrednio do sieci lub odbiorników lokalnych [6].
kach elektrowni wiatrowych, morskich, fotowoltaicznych,
itp. Zastosowanie znajdują głównie tyrystory IGCT (ang.
Integrated Gate-Commutated Thyristor) oraz tranzystory
IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor). Tyrystor
IGCT stanowi połączenie tyrystora GTO (ang. Gate Turn
Off) z układem sterowania bramki, w jednej zintegrowanej obudowie. Dzięki takiej konstrukcji uzyskuje się doskonały przyrząd o dużym obszarze pracy bezpiecznej
(ang. Safe Operation Area – SOA), zredukowanych stratach łączeniowych oraz krótkim czasie odprowadzenia
ładunku przestrzennego złącza. Na rys. 2. przedstawiono
graniczne napięcia i prądy znamionowe podstawowych
przyrządów energoelektronicznych [7].
Rys. 2. Graniczne napięcia i prądy znamionowe podstawowych przyrządów energoelektronicznych [7]: SRC – tyrystory konwencjonalne, GTO
– tyrystory wyłączalne bramką, IGCT – tyrystory komutowane zintegrowaną bramką, IGBT – tranzystory bipolarne z izolowaną bramką,
MOSFET – tranzystory polowe z izolowaną bramką
Rys. 1. Ogólny schemat funkcjonalny systemu generacji rozproszonej
(GR) zasilanego z odnawialnych źródeł energii (OZE) [6]
Niezwykle ważnym blokiem systemu GR jest układ
sterowania, który spełnia dwie funkcje: zapewnienie
maksimum mocy pobieranej z OZE w zmiennych warunkach eksploatacji i doprowadzenie wytworzonej mocy do
sieci elektroenergetycznej [7, 10, 12].
2. Przyrządy półprzewodnikowe mocy stosowane w
odnawialnych źródłach energii
Obserwując rynek napędów regulowanych można zauważyć, że na przestrzeni 30 lat nastąpiła 20-krotna redukcja wagi i rozmiarów przekształtników energoelektronicznych przy jednoczesnym 10-krotnym wzroście funkcjonalności i redukcji liczby komponentów. Ten olbrzymi
postęp energoelektronika zawdzięcza przede wszystkim
rozwojowi półprzewodnikowych elementów mocy, a
także systemów sterowania na bazie systemów procesorowych (ang. Digital Signal Processor – DSP) i logiki
programowalnej (ang. Field Programmable Gate Array –
FPGA) [7]. Systematyczny rozwój półprzewodnikowych
elementów mocy w zakresie parametrów znamionowych
(napięć i prądów), czasów przełączania oraz niezawodności – przy jednoczesnej redukcji ich cen 2-5% rocznie stanowi główną siłę napędową ekspansji układów energoelektronicznych w odnawialnych źródłach energii i
systemach generacji rozproszonej [7]. W przekształtni-
Tranzystory IGBT stanowią aktualnie zasadniczy
element energoelektroniczny osiągając parametry znamionowe 6.5 kV, 0.6 kA (Rys. 2.) [7]. Np. dla przyrządu
4.5 kV wynosi on około 3 V, co w przypadku przekształtnika o mocy znamionowej 2000 kW daje straty przewodzenia 3.2 kW na fazę. Natomiast dla tranzystora IGBT
1.7 kV mającego napięcie w stanie załączenia 5 V przy
mocy przekształtnika 2000 kW uzyskuje się straty przewodzenia 6.67 kW na fazę. Podsumowując należy stwierdzić, że na obecnym etapie rozwoju przyrządów półprzewodnikowych tranzystory IGBT stanowią lepszą alternatywę do budowy przekształtników energoelektronicznych
ogólnego stosowania, w tym także dla systemów OZE i
GR.
3. Topologie układów energoelektronicznych sprzęgających odnawialne źródła energii z siecią elektroenergetyczną
Podstawowym układem energoelektronicznym stosowanym jako sprzęg pomiędzy OZE a siecią elektroenergetyczną jest przekształtnik AC/DC (prostownik aktywny) oraz jego lustrzane uzupełnienie DC/AC (falownik).
Użyte razem tworzą przemiennik częstotliwości z obwodem pośredniczącym napięcia stałego AC/DC/AC (ang.
back-to-back converters). Bazowy schemat trójfazowego
dwupoziomowego przekształtnika mostkowego AC/DC
pokazano na rys. 3 [6]. Strona zmiennoprądowa AC dołączona jest poprzez dławiki o indukcyjności L i rezystancji
87
R do sieci reprezentowanej przez źródła napięcia Ua, Ub,
Uc. Natomiast strona stałoprądowa DC poprzez pojemność wygładzającą C dołączana jest poprzez dodatkowy
przekształtnik DC/DC (fotowoltaika) lub DC/AC (elektrownie wiatrowe) do OZE. Zastosowanie diod zwrotnych
dołączonych równolegle do tranzystorów IGBT pozwala
– przy zachowaniu stałej wartości napięcia UDC – na
zmianę kierunku prądu w części stałoprądowej, a zatem
także zmianę znaku mocy i kierunku przepływu energii
przez przekształtnik. Tak, więc przekształtnik AC/DC jest
idealnym sprzęgiem systemów OZE i GR z siecią, gdyż
zapewnia dwukierunkowy przepływ energii.
Rys. 5. Przekształtnik trójpoziomowy z kondensatorami o zmiennym
potencjale (FLC) [8]
Rys. 6. Przekształtnik trójpoziomowy kaskadowy z połączonych
mostków typu CH-B [8, 6]
Rys. 3. Uproszczony schemat trójfazowego, dwupoziomowego
przekształtnika mostkowego AC/DC [6]
Wraz ze wzrostem mocy jednostkowej - dla uzyskania
ekonomicznych rozwiązań umożliwiających pracę przy
wyższych napięciach i prądach - stosowane są przekształtniki wielopoziomowe, wśród których wyróżnia się
następujące ważniejsze topologie [8]:
- przekształtniki z diodami poziomującymi połączonymi z punktem neutralnym (ang. Neutral Point Camping
– NPC) – rys. 4.,
- przekształtniki z kondensatorami o zmiennym potencjale (ang. Flying Capacitors - FLC) – rys. 5.,
- przekształtniki z kaskadowym (szeregowym) połączeniem mostków jednofazowych (ang. Cascaded SinglePhase H-Bridge – CH-B) rys. 6.
Wspólną cechą wymienionych topologii jest (teoretycznie) możliwość budowy przekształtników o dowolnej
liczbie poziomów, mimo że w praktyce ich realizacja
może być zależnie od topologii - mniej lub bardziej złożona.
Rys. 4. Przekształtnik trójpoziomowy z diodami poziomującymi połączonymi z punktem neutralnym (NPC) [8]
88
Przykładowe topologie trójpoziomowe przekształtników NPC, FLC oraz CH -B pokazano odpowiednio na
rys. 4, 5 i 6. Do zasadniczych zalet topologii wielopoziomowych w porównaniu do przekształtników dwupoziomowych należą: mniejsza zawartość harmonicznych
napięcia zarówno po stronie zmiennoprądowej jak i tętnień po stronie stałoprądowej, mniejsze wartości filtrów i
elementów pasywnych, redukcja strat łączeniowych oraz
niższy poziom zakłóceń elektromagnetycznych (ang.
Electromagnetic Interference – EMI) dzięki mniejszym
wartościom napięć komutowanych [7]. Mimo, że straty w
stanie przewodzenia przekształtników wielopoziomowych
są większe, to jednak całkowita sprawność jest wyższa i
zależy od stosunku strat łączeniowych do strat przewodzenia. Przekształtniki wielopoziomowe posiadają też
wady: większa ilość elementów mocy, skomplikowane
sterowanie i zabezpieczenia, konieczność stabilizacji
napięcia punktu neutralnego (NPC) oraz izolowane napięcia zasilania. Początkowo do sterownia układów energoelektronicznych wykorzystywane były standardowe mikroprocesory, które wymagały dobudowania otoczenia w
postaci przetworników analogowo – cyfrowych, układów
modyfikacji sygnałów sterujących poprzez generowanie
czasu martwego (ang. Dead Time) dla zabezpieczenia
gałęzi przekształtnika przed zwarciem, itp. Obecnie producenci sterowników rozszerzają swoją ofertę o układy
specjalizowane do zastosowań energoelektronicznych i
napędowych. Znalazły tu zastosowanie procesory sygnałowe DSP. Specjalizacja takich układów polega na wyposażeniu procesora DSP w dodatkowe elementy jak: przetworniki analogowo – cyfrowe, generator sygnałów
PWM, generator czasu martwego, wejście czujnika impulsowo – obrotowego. W energoelektronice układy
FPGA zyskały na znaczeniu, gdyż charakteryzują się
dużym stopniem swobody projektowania. Dlatego często
stosowane jest łączenie FPGA z DSP, co pozwala na
optymalizację całej struktury [7, 8].
6
-< , =,
!
B&&$ , H "&%#
!%', 9
B&&% ,
"# !
!"# $# %# "&'(
)
#
#
*
+
)
,
*
-
+
$.*%/ 01,
2
)
#
,
*
*
,
*
)
*
#
""& 3
,
2
,
4
(
5
)
5
5
#
6
)
5
5
,
$
% !
2
)
6
-7 81
-491, :
*
,
;
, A/"1,
C
4
:
A
)
6
-< , =, B&&% , H BJ/#
, BJ.J1,
!.',
(KK
,
, , K
L
,
!J',
, , M,
!/',
,
, , , K
8
K ,
!N', H
C,# O
9,( :
# 2H?# 2
"AAN
!A',
(KK
,
,
,
K
K
K
K:
K
*
, P
!"&', :
;,( 2
##2
:
2
#2
B&&%
!""', C
2,( ?
*
)
M
# ? *
H
# B&&N
!"B', H
C,# O
9,( :
# 2H?# 2
"AAN
!"$', ;, C, D
, ( E:
*8
>
4 F
9
) 8
>
(@
G#
F888 ?9@H>, 7H FH<=>?9F@I 8I8D?97HFD># 37I,
.$# H7, %# @=4=>? B&&J# , "&&B* "&"J,
!"%', :
<
@,(
#
F888 :
#H Q
"AAJ
!".', :
>,( 8
*
6
)
)
#=
2
@4R#
S
"AAN
!"J', :
>,( :
8
(
(8
(
1# =
2
H
*<
# @4R# B&&J
!"/', >
9,# >
R,(
#:
H
8
# "AAN
!"N', >
R,( C
)
)
# 2
# 7
2
:
2
# "AA.
!"A', ?
R,# O
9,#
# 7
2
:
2
# -B&&$1
!B&', ?
R,# 2
O,#
#
2H?# -"AN/1
!B"', 9
B&
B&&% ,
#
, < ,=, &J,&",B&&.,
)
7 8
49, <
)
)
)
)
7 8
49,
!"', =
:
8
=>?@2@
"&
"AA/ , * :
,
"%
B&"& ,
!B', ;, C, D
, ( E:
*8
>
4 F
9
) 8
>
(@
G#
F888 ?9@H>, 7H FH<=>?9F@I 8I8D?97HFD># 37I,
.$# H7, %# @=4=>? B&&J# , "&&B* "&"J,
!$', 9
C
4
# :
:
>
$&
B&&$ ,
)
&'( )* +(,* -(./01'2 . 345 6()7*8*)94:;
< 6(5'=,>(? @ A/3*B? C D1E1)
89