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.