Możliwości zastosowania kondycjonerów energii w systemach

Henryk DĘBICKI1
Telekomunikacja Polska S.A. Obszar Telekomunikacji w Zielonej Górze (1)
Możliwości zastosowania kondycjonerów energii w systemach
zasilania rozproszonych obiektów telekomunikacyjnych
Streszczenie. Referat dotyczy wybranych aspektów wykorzystania kondycjonerów energii elektrycznej w rozproszonych systemach zasilania, w
szczególności obiektów telekomunikacyjnych. Przedstawiono schemat dedykowanej sieci DCN, której zastosowanie pozwala na racjonalne
wykorzystywanie zasobów źródeł alternatywnych .Omówiono ogólne właściwości kondycjonera 1-fazowego, w tym zasady doboru jego buforowego
zasobnika energii.
Abstract. The paper concerns some selected issues related to using elektric energy conditioners in decentred power supply systems, in particular
telecomunication facilities. The layout of a dedicated DCN network is presented, whose exploitation enables rational utilisation of alternative
resources. The general characteristics of the 1- phase conditioner are discussed, including selection of a buffor energy storage unit.
Słowa kluczowe: kondycjonery, zasilanie alternatywne, telekomunikacja
Keywords: conditioners, aternative resources, telecommunication
Wstęp
Tradycyjna elektroenergetyka jest niezdolna do
wymuszenia optymalizacji wykorzystania zasobów czy też
do minimalizacji negatywnego wpływu na środowisko. Z
tych
powodów
zostały
zapoczątkowane
zmiany,
ukierunkowane na budowę rozproszonych systemów
elektroenergetycznych
o
istotnym
udziale
źródeł
alternatywnych [1,2,3]. Tylko takie systemy pozwalają
skutecznie wykorzystywać mechanizmy rynkowe w różnych
aspektach elektroenergetyki.
Cechą elektroenergetycznych systemów rozproszonych
są [1,2,4]: a) różnorodność źródeł i parametrów energii
elektrycznej; b) względnie małe moce pojedynczych źródeł;
c) nierównomierna w czasie wydajność. Z uwagi na to, w
celu zapewnienia: wymaganej niezawodności, współpracy
źródeł, wyrównywania obciążeń, dopasowywania odbiorów i
minimalizacji
ich
oddziaływania,
w
systemach
rozproszonych muszą być stosowane odpowiednie układy
dopasowujące. W przypadku, jeśli są to układy
energoelektroniczne mówi się o tzw. aktywnych
kondycjonerach energii elektrycznej – APC (Activ Power
Conditioner) [3,5,6,7,9].
Sieć informacyjna
Sieć rozdzielcza
Odbiorcy
domowi
Serwis
wielofunkcjonalny
Centra Kontroli Jakości
APC
Administracja
publiczna
Duzi odbiorcy
Rys. 1. Koncepcja systemu FRIENDS
Dąży się przy tym, aby te układy w systemie
rozproszonym były nadzorowane i sterowane za pomocą
sieci komputerowej. W tym przypadku mamy tzw. system
FRIENDS (F
Flexible Reliable Intelligent Electrical eN
Nergy
Delivery System), których koncepcję wg [10] przedstawia
rysunek 1. Powyższe dotyczy również systemów
rozproszonego zasilania obiektów telekomunikacyjnych
Rozproszone zasilanie obiektów telekomunikacyjnych
Obecnie systemy telekomunikacyjne są zasilane z
krajowego
systemu
elektroenergetycznego,
w
przeważającej większości liniami niskich napięć, a w
pojedynczych przypadkach liniami średnich napięć. Jako
rezerwowe źródła zasilania zawsze stosuje się baterie
akumulatorowe, a w zależności od wagi obiektu dodatkowo
zespoły prądotwórcze. Te źródła w przyszłości planuje się
uzupełnić w ogniwa fotowoltaiczne, ogniwa paliwowe,
wiatraki i agregaty prądotwórcze wysokoczęstotliwościowe.
Współpraca z systemem elektroenergetycznym może być
przy tym realizowana poprzez:
a) włączanie źródeł rezerwowego zasilania w okresach
niedoboru energetycznego,
b) sprzęganie dużych (ok. 1MVA) i średnich (ok. 0,1MVA)
zespołów prądotwórczych w okresach niedoboru
energetycznego,
c) sprzęganie i dopasowywanie innych alternatywnych
źródeł energii zasilania rezerwowego z systemem
elektroenergetycznym.
Różne układy APC w systemach rozproszonego
zasilania obiektów telekomunikacyjnych powinny więc
spełniać razem następujące funkcje:
a) sprzęgać
i
dopasowywać
z
systemem
elektroenergetycznym źródła rezerwowego zasilania:
baterie akumulatorów stacyjnych, ogniw paliwowych i
generatorów prądotwórczych itp [5,6];
b) poprawiać jakość energii w otoczeniu rozproszonych
odbiorców [4,9];
c) kontrolować i sterować przepływem energii w
systemach, w szczególności w przypadku dużego
udziału źródeł alternatywnych (odnawialnych) [10].
Ostatnia z wymienionych funkcji jest trudna do realizacji
bez sieci komputerowej, nadzorującej, zarządzającej i
obsługującej obiekty telekomunikacyjne, lub innych mediów
transmisyjnych współpracujących z centrami nadzoru.
Przykładowo, można w tym celu wykorzystać dedykowaną
wewnętrzną sieć DCN o przepustowości 2 Mb, obejmującą
cały obszar i umożliwiającą dostęp do każdego obiektu
(rys.2). Stosując taką sieć można wypracować „optymalne”
decyzje dotyczące przepływów energii elektrycznej między
obiektami na całym nadzorowanym obszarze, z
uwzględnieniem bieżących zasobów źródeł rezerwowych i
alternatywnych. Na tej podstawie, już na obiektach, jest
realizowane sterowane zainstalowanymi układami APC.
Tablica 1. Prądy i napięcia w układzie APC
i1 = I1m sin (ω1t + ϕ1 ) ;
prąd
i
napięcie
wejściowe
e1 = u1 = U1m sin (ω1t )
i2 = I 2 m sin (ω 2t + θ u + ϕ 2 ) ;
e2 = u2 = U 2m sin(ω 2t + θ u )
prąd
i
napięcie
wyjściowe;
amplitudy napięcia i
prądu e1,i1/e2,i2
U1m, I1m / U2m, I2m
Tablica 2. Moce chwilowe w układzie APC
p1 = u1 ⋅ i1 = P1 − P1 ⋅ cos(2ω1t ) + Q1 ⋅ sin (2ω1t )
wejściowa
Rys.2. Schemat dedykowanej wewnętrznej sieci DCN.
p2 = u2 ⋅ i2 = P2 − P2 ⋅ cos(2ω 2t + 2θ u ) + Q2 ⋅ sin(2ω 2t + 2θ u )
wyjściowa
Jednofazowy kondycjoner energii elektrycznej
W celu minimalizacji przepływów energii elektrycznej
sterowanie układem APC zainstalowanym na obiekcie
powinno w szczególności uwzględniać wydajność lokalnego
zasobnika (źródła) energii elektrycznej. Bardzo ważne są
przy tym jego właściwości dynamiczne [8]. Często zdarza
się, że w przypadku skoku obciążenia, wydajność
energetyczna zasobnika (nawet jeśli jest jej zapas) nie
nadąża za wymaganymi zmianami. W tym przypadku
należy stosować dynamiczne „bufory”, uzupełniające
zapotrzebowanie w energię w procesie przejściowym.
Pobór energii z takiego bufora nie jest więc stały, a ponadto
może charakteryzować się pulsacjami wpływającymi na
jego żywotność. Pulsacje te, w istotny sposób wpływające
na wybór parametrów bufora, są największe w 1-fazowych
układach APC [11].
pB = PB = P2 − P1
zasobnika
energii
gdzie:
P1 = S1 ⋅ cos ϕ1 , Q1 = S1 ⋅ sin ϕ1 , S1 = U1m ⋅ I1m 2
moce wejściowe: czynna, bierna i pozorna;
P2 = S2 ⋅ cosϕ 2 , Q2 = S2 ⋅ sinϕ2 , S 2 = U 2 m ⋅ I 2 m 2
moce wyjściowe: czynna, bierna i pozorna
Na rysunku 3 przedstawiono model i wykresy wskazowe
prądów i napięć w 1-fazowym układzie APC z buforem
kondensatorowym i zasobnikiem energii o wydajności
mocowej PB. Odpowiednie prądy i napięcia oraz moce
chwilowe w tym układzie opisują zależności zestawione w
tablicy 1 i tablicy 2. Wyznaczone na ich podstawie tętnienia
mocy dostarczanej/pobieranej z bufora w stanie ustalonym
wyrażają się zależnością:
~
∆p = p1 + p B − p 2 =
Model
a)
− P1 cos(2ω1t ) + Q1 sin( 2ω1t ) +
(1)
PE
i1
e1 p1
p1d
u1
p2d
Bufor
+ P2 cos(2ω 2t + 2θ u ) + Q2 sin(2ω 2t + 2θ u )
i2
u2 p2
e2
Ta zależność, po prostych przekształceniach przyjmuje
postać:
~
gdzie: χ = PB P2 , ϕ1 = arctg (Q1 P1 ) , ϕ 2 = arctg (Q2 P2 )
Zasobnik
energii
Tętnienia energii w buforze napięcia stałego
Uwzględniając wzór (2) składową zmienną energii
magazynowanej w obwodzie bufora DC układu APC
obliczamy na podstawie zależności:
APC
b)
U2
Im
 cos(2ω 2t + 2θ u + ϕ 2 )
cos(2ω1t + ϕ1 ) 
− (1 − χ )

cos
ϕ
cosϕ1
2


(2) ∆p = P2 
pB
(3)
I2
ω2−ω1
~
~
∆E = ∫ ∆pdt =
 1

1
P2 
∫ cos(2ω2t + 2θu +ϕ2dt − (1− χ) cosϕ ∫ cos(2ω1t + 2θu +ϕ1dt
ϕ
cos
2
1


Stąd otrzymujemy:
ϕ2
θu
ϕ1
I1
sin (2 ω 1t + ϕ 1 ) 
P  sin (2 ω 2 t + 2θ u + ϕ 2 )
~
(4) ∆
− (1 − χ )
E = 2 

2
ω cos ϕ
ω cos ϕ

U1
Re
Rys. 3. Układ APC: a) uogólniony model; b) wykres wskazowy
2
2
1
1

W rezultacie, na podstawie wyrażenia (3) i dla wartości
P2=1 pu (per unit), amplitudę zmian energii gromadzonej w
buforze DC można ocenić na podstawie wzoru:
~
∆Em = max ∆E =
(5)
max
sin (2ω 2 t + 2θ u + ϕ 2 )
sin (2ω1t + ϕ1 )
− (1 − χ )
2ω 2 cosϕ 2
2ω1 cos ϕ1
przy czym ∆Em ≤ 1 (2ω 2 cos ϕ 2 ) + 1 − χ ⋅ 1 (2ω1 cos ϕ1 )
Jak wynika z zależności (5) amplituda ∆Em zmienia się
zarówno w funkcji częstotliwości wejściowej i wyjściowej
układu APC, jak również w funkcji przesunięć fazowych
prądów i napięć φ1 , φ2 oraz przesunięcia fazowego napięcia
wyjściowego θu względem napięcia wejściowego. Te zmiany
w przypadku częstotliwości wejściowej f1=50 Hz dla dwóch
kątów φ1 ilustruje rys.4
ϕ1=0°
∆Em
Rys.5. Przykładowy przebieg napięcia kondensatora w przypadku:
C = 2200 µF, f2 = 5 Hz i I2 = 4A
Na rysunku 5 pokazano przykładowy przebieg napięcia na
kondensatorze buforującym C. Widać duży wpływ różnicy
częstotliwości wejściowej i wyjściowej. Oczywisty jest także
znaczny wpływ mocy obciążenia i pojemności kondensatora
C. Te zależności potwierdzają wyniki wszystkich symulacji,
zebrane w postaci charakterystyk pokazanych na rysunku
6.
a)
∆Uc [V]
700
P [W]
500
600
f2, Hz
1000
500
ϕ 2, °
1500
400
2000
300
ϕ1=60°
∆Em
2500
200
3000
100
0
1
2
5
10
20
30
40
50
60
f2[Hz]
3500
b)
300
f2, Hz
ϕ 2, °
Rys.4. Zależność amplitudy ∆Em w funkcji częstotliwości f2 i kąta ϕ2
dla dwóch wartości kąta ϕ1 (współczynnik χ=0)
Z amplitudą ∆Em zmian energii gromadzonej w buforze
DC w oczywisty sposób związane są tętnienia napięcia na
tym elemencie, najczęściej kondensatorze. Dla przykładu
przeprowadzono
symulacje
1-fazowego
układu
jednofazowego APC składającego się z dwóch mostków
tranzystorowych w przypadku gdy χ=0, φ1=0 i cosφ2=0,93,
dla różnych wartości: pojemności C kondensatora
buforującego, obciążenia, częstotliwości wyjściowej.
∆Uc [V]
C [µ F]
600
250
800
200
1000
1200
150
1400
100
1600
50
0
P [W]
1800
2000
3000
3500
500
1000
1500
2000
2500
Rys. 6. Tętnienia napięcia ∆UC w funkcji: a) częstotliwości
wyjściowej f2; b) mocy wyjściowej - f2;=50 Hz
Jak widać z rysunku 6a częstotliwość f2 = 20 Hz jest
częstotliwością graniczną, poniżej której tętnienia napięcia
bardzo szybko wzrastają. W przypadku zmian mocy
odbiornika zmiany amplitudy tętnień są prawie liniowe.
Optymalizacja tętnień buforowego napięcia stałego
W układach APC, które umożliwiają regulację
wejściowego współczynnika mocy, możliwe jest osiągnięcie
różnych kątów φ1. Z zasady, najczęściej możemy także
niezależnie regulować kątem θu przesunięcia fazowego
między
napięciami
wejściowym
i
wyjściowym.
Uwzględniając wzór (5) można więc tak dobrać wartości φ1 i
∆Em (min )
θu, aby tętnienia buforowego napięcia DC przy określonym
udziale zasobnika energii w energii dostarczanej do
odbiornika (wyrażanego współczynnikiem χ) były jak
najmniejsze. Ma to znaczenie przede wszystkim wtedy, gdy
częstotliwości wejściowa f1 i wyjściowa f2 są równe.
Wówczas wzór (5) przyjmuje postać:
f1=f2=50 Hz
~
∆Em = max ∆E =
(6)
max
1  sin (2ωt + 2θ u + ϕ 2 )
sin (2ωt + ϕ1 ) 
− (1 − χ )


2ω 
cosϕ 2
cosϕ1

ϕ1 °
Zależność (6), gdy układ APC pracuje z jednostkowym
wejściowym współczynnikiem mocy i f1=f2, ilustruje rysunek
7.
Jak widać i co nietrudno zauważyć na podstawie
równania (6), amplituda tętnień energii w buforze 1fazowego APC osiąga wartość minimalną wtedy, gdy
napięcie wyjściowe jest przesunięte względem napięcia
wejściowego o kąt równy:
θ u = (ϕ1 − ϕ 2 ) 2
(7)
ϕ2 °
∆ E m (min )
f1=f2=50 Hz
ϕ1= 0°...60°
step 10°
W tym przypadku
∆Em (min ) =
(8)
Powyższą
rysunek 8
zależność,
1
1
1
⋅
− (1 − χ )
2ω cosϕ 2
cosϕ1
w
przypadku
∆Em
χ=0
przedstawia
f1=f2=50 Hz
ϕ1=0°
ϕ2°
Rys. 8. Zależność amplitudy ∆Em w funkcji kątów ϕ2 i ϕ1,w
przypadku optymalnego kąta θu ,gdy χ=0
Jeśli dopuszcza się pracę układu APC z zaniżoną
wartością wejściowego współczynnika, (np. z uwagi na
instalację dodatkowych kompensatorów w systemie
zasilania), to tętnienia w obwodzie bufora można dalej
zmniejszyć, dobierając kąt φ1 na podstawie zależności:
(9)
cos ϕ1 cos ϕ 2 = (1 − χ )
Gdy ten współczynnik musi być równy 1, ale gdy dopuszcza
się jednoczesne zasilanie odbioru z zasobnika energii i sieci
zewnętrznej, to wskazany jest dobór współczynnika χ wg
wzoru
-θu°
(10)
ϕ2°
∆Em
f1=f2=50 Hz
ϕ2=0°
Minimalizacja tętnień energii w obwodzie bufora układu
APC,
przeprowadzana
na
podstawie
powyższych
zależności (8), (9) lub (10) i uwzględniająca zasoby
wszystkich i lokalnych źródeł, pozwala zmniejszyć
wymaganą wartość pojemności C bufora zgodnie za
zależnością:
(11)
θu=-15°...15°
step 5°
ϕ1°
Rys.7. Zależność amplitudy ∆Em w funkcji kątów ϕ2 i θu , w
przypadku ϕ1 = 0° gdy f1= f2 =50 Hz
1 cos ϕ 2 = (1 − χ )
∆Em = C ⋅ U C (0 ) ⋅ ∆U C (max ) = C ⋅ U C2 (0 ) ⋅ ε U
gdzie: UC(0)=(UC(max)+UC(min))/2 – wartość średnia napięcia
bufora (kondensatora); ∆UC=(UC(max)–UC(min))/2 – amplituda
tętnień napięcia bufora UC; εU=∆UC/UC(0) – zadana względna
wartość dopuszczalnej amplitudy tętnień.
PODSUMOWANIE
W najbliższej przyszłości oczekiwane są duże zmiany i
rekonstrukcje
systemów
zasilania
obiektów
telekomunikacyjnych.
Przewiduje
się
powszechne
zastosowanie rozproszonych systemów zasilania, w
których, praktycznie zawsze, konieczne jest zastosowanie
indywidualnych i zbiorczych układów APC i rozproszonych
systemów nadzoru. Układy APC są przy tym szczególnie
ważne w przypadku dużego udziału drobnych źródeł
alternatywnych/odnawialnych
w
ogólnym
bilansie
energetycznym.
Koncepcja
systemów
FRIENDS,
w
tym
z
wykorzystaniem dedykowanych sieci komputerowych (np.
DCN) do nadzorowania rozproszonego systemu zasilania,
pozwala uwzględniać na bieżąco zasoby energetyczne
wszystkich źródeł z rozbiciem na zasoby źródeł lokalnych.
W ten sposób można w prosty względnie sposób
realizować optymalizacyjne algorytmy sterowania obiektami
telekomunikacyjnymi oraz zainstalowanymi na nich
układami APC, łącznie z minimalizacją tętnień energii w
obwodzie bufora.
Praca realizowana w ramach projektu badawczego Min.
Nauki i Informatyzacji Nr 4T10A 037 25 pt.
„Energoelektroniczne układy elastycznego sterowania
przepływem mocy w rozproszonych systemach zasilających
prądu przemiennego”
LITERATURA
[1]
M e s s e n g e r R., V e n t r e J., Photovoltaic Systems
Engineering, CRC Press LLC, New York, 2000
[2] B e c k H. P., W e n s k e J., W o l f A., Power Conditioning in
Network with High Wind Energy Systems, Electrical
Engineering, Vol. 81, Nr. 6, 1999, 395-407
[3] C a s a d e i D. et all, Active AC Line Conditioner for a
Cogeneration Systems, in Proc. 8th European Conference on
Power Electronics and Applications - EPE '99 (CD-ROM),
Lausanne, 1999, 10
[4] G h o s h A., L e d w i c h G. Power Quality Enhancement Using
Custom Power Devices, Kluwer Academic Publishers, Boston,
2002
[5] S t r z e l e c k i R. Aktywne układy kondycjonowania energii –
nowa moda czy jakość?, w Materiałach Konferencji
„Nowoczesne urządzenia zasilające w energetyce”, Kozienice
(2002), 1.14-9.14
[6] S t r z e l e c k i R. Aktywne układy kondycjonowania energii –
APC, Przegląd Elektrotechniczny (2002), Nr 2, 196-202
[7] Casadei D., Grandi G., Rossi C., A Parallel Conditioning
Systems with Energy Storage Capability for Power Quality
Improvement in Industrial Plants, in Proc. 8th European
Conference on Power Electronics and Applications - EPE '01
(CD-ROM), Graz, 2001, 8
[8] K r a s B., Układ hybrydowy ogniwa paliwowego z ogniwem
chemicznym do zasilania rozproszonych odbiorników o dużej
dynamice zmian obciążenia. Rozprawa doktorska, Politechnika
Warszawska, 2003, 235
[9] S t r z e l e c k i R., K u k l u k J.: Single phase active power line
conditioners, in Proc. 3-th International Symposium All Electric
Ship Civil or Military - AES 2000, Paris, 2000, 379-384
[10] http://svr.huee.hokudai.ac.jp/friends/
[11] M e c k i e n G., Oszczędnościowe układy kondycjonowania
energii. Rozprawa doktorska, Uniwersytet Zielonogórski, 2003,
134
Autor: mgr inż. Henryk Dębicki, Krężoły ul. Pszenna 3
66-100 Sulechów, [email protected]