Koncepcja interfejsu energoelektronicznego dla

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI,
NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO I ROBOTYKI
Koncepcja interfejsu
energoelektronicznego dla
mikroinstalacji prosumenckiej
Dr. inż Marcin Zygmanowski
Dr. inż Jarosław Michalak
Prof. dr inż. Jan Popczyk
Konferencja Energetyka Prosumencka w Wymiarach Zrównoważonego Rozwoju, Koszęcin, 21.10.2015
2 / 18
PLAN PREZENTACJI
1. Wprowadzenie i cel badań
2. Schemat mikroinstalacji z interfejsem
energoelektronicznym
3. Topologie przekształtników składowych
4. Działanie interfejsu - scenariusze
5. Wnioski
Koszęcin, 21.10.2015
3 / 18
WPROWADZENIE
 Interfejs energoelektroniczny integruje urządzenia
mikroinstalacji prosumenckiej (10 kVA, 3x400 V)
 Omawiany interfejs cechuje się wspólnym
obwodem napięcia stałego
 Zalety: zredukowana liczba przekształceń energii
AC-DC, DC-AC względem rozwiązań bazujących na
gotowych przekształtnikach
 Na świecie nie są znane podobne rozwiązania
Koszęcin, 21.10.2015
4 / 18
CEL PROJEKTU
Badania prowadzone są w ramach projektu GEKON I:
Rewitalizacja prosumenckich mikroinstalacji energoelektrycznych
Projekt finansowany przez NCBiR i NFOŚiGW
Konsorcjum:
Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie,
Euro-Centrum Katowice,
Politechnika Śląska w Gliwicach
Uniwersytet Zielonogórski
Cel I: budowa interfejsu energoelektronicznego dla
mikroinstalacji prosumenckich.
Cel II: zwiększenie wykorzystania energii z OZE w
gospodarstwach prosumenckich
Koszęcin, 21.10.2015
SCHEMAT MIKROINSTALACJI PME Z INTERFEJSEM
Sieć zasilająca
Wyłącznik sieciowy WS
Odbiorniki prądu
przemiennego OAC
AC
DC
Przekształtnik sieciowy
Interfejs energoelektroniczny
mikroinstalacji prosumenckiej
Przekształtnik odbiornikowy
DC
Odbiorniki prądu
stałego ODC
DC
Obwód napięcia stałego
5 / 18
Przekształtnik solarny
DC
Ogniwa
fotowoltaiczne PV
DC
Przekształtnik wiatrowy
DC
AC
Przekształtnik zasobnikowy
DC
DC
G
Mikroturbina
wiatrowa µTW
Zasobnik energii
elektrycznej ZE
Koszęcin, 21.10.2015
6 / 18
PRZEKSZTAŁTNIK SIECIOWY
Schemat obwodów AC mikroinstalacji prosumenckiej
Sieć
zasilająca
Wyłącznik
sieciowy
(tyrystorowy)
Odbiorniki
prądu
przemiennego
Czterogałęziowy przekształtnik Obwód
sieciowy
dc
Filtr sieciowy
LCL
iO
udc
iS
L1
C
L2
iA
iB
iC
iN
LN
Przekształtnik sieciowy jest niezbędnym elementem
interfejsu energoelektronicznego PME.
Przekształtnik sieciowy jest dwukierunkowy i powinien
pracować przy asymetrii prądu, dlatego jest czterogałęziowy.
Koszęcin, 21.10.2015
7 / 18
PRZEKSZTAŁTNIK SIECIOWY - TOPOLOGIA JEDNEJ FAZY
Analizuje się trzy topologie przekształtników AC-DC
a)
b)
c)
udc
udc
udc
A
A
2L
3L-NPC
vA0
3L-NPC typu T
vA0
Vdc/2
vA0
Vdc/2
t
-Vdc/2
A
Vdc/2
t
-Vdc/2
t
-Vdc/2
Koszęcin, 21.10.2015
8 / 18
PRZEKSZTAŁTNIK ZASOBNIKOWY
Przekształtnik zasobnikowy jest dwukierunkowym
przekształtnikiem DC-DC
a)
b)
udc
udc
Zasobnik
Transformator
Zasobnik
1:n
Z uwagi na duży współczynnik wzmocnienia napięciowego
preferowaną topologią jest przekształtnik DAB
Koszęcin, 21.10.2015
9 / 18
PRZEKSZTAŁTNIK SOLARNY
Przekształtnik solarny jest jednokierunkowym przekształtnikiem
DC-DC o współczynniku wzmocnienia napięciowego zależnym
od liczby ogniw fotowoltaicznych
a)
b)
Ogniwo
fotowoltaiczne
Ogniwo
fotowoltaiczne
Transformator
udc
udc
Preferowane są proste topologie przekształtników
beztransformatorowe, jednak w zależności od mocy ogniw
topologia przekształtnika może być inna
Koszęcin, 21.10.2015
10 / 18
PRZEKSZTAŁTNIK WIATROWY
Przekształtnik wiatrowy jest opcjonalny i jest jednokierunkowym
przekształtnikiem AC-DC-DC
Mikroturbina
wiatrowa
udc
G
Prostownik diodowy jest rozwiązaniem tańszym niż prostownik
tranzystorowy, ale może być stosowany jedynie z generatorem
synchronicznym z magnesami trwałymi (PMSG).
Koszęcin, 21.10.2015
11 / 18
PRZEKSZTAŁTNIK ODBIORNIKOWY
Przekształtnik odbiornikowy jest jednokierunkowym
przekształtnikiem DC-DC np. bazującym na topologii
przekształtnika typu FORWARD
udc
Wyjściowe obwody
napięcia stałego
Separacja galwaniczna jest konieczna ze względów
bezpieczeństwa użytkowników odbiorników prądu stałego.
Przewiduje się, że w przyszłych PME coraz więcej urządzeń
będzie mogło być zasilanych z sieci napięcia stałego.
Koszęcin, 21.10.2015
12 / 18
DZIAŁANIE INTERFEJSU ENERGOELEKTRONICZNEGO
a)
SZ
SZ
OAC PV
OAC PV
+
+
ZE
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
ODC µTW
brak przesyłu energii z/do sieci
WS
OAC
1
5
brak magazynowania energii
AC
DC
2
DC
DC
DC
DC
DC
AC
DC
DC
6
ODC
magazynowanie energii
PV
3
µTW
ZE
7
sprzedaż energii
4
8
Koszęcin, 21.10.2015
13 / 18
DZIAŁANIE INTERFEJSU ENERGOELEKTRONICZNEGO
Brak przesyłu energii z/do sieci
SZ
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
PSZ = 0
WS
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
OAC
1
AC
5
DC
DC
ODC
DC
DC
PV
DC
DC
µTW
AC
5
1
DC
DC
PZE  POAC  PODC  PPV  PTW
Zasobnik energii pełni rolę buforującą
|PODB|-|POZE| < 0 ładowanie (1)
|PODB||POZE| > 0 rozładowywanie (5)
ZE
Koszęcin, 21.10.2015
14 / 18
DZIAŁANIE INTERFEJSU ENERGOELEKTRONICZNEGO
Brak magazynowania energii
SZ
6
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
2
WS
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
OAC
2
AC
6
DC
DC
DC
DC
DC
DC
AC
ODC
PSZ  POAC  PODC  PPV  PTW
PV
Bilansowanie mocy odbywa się przy
wykorzystaniu sieci zasilającej
µTW
PZE = 0
DC
DC
ZE
|PODB|-|POZE| < 0 sprzedaż do sieci (6)
|PODB|-|POZE| > 0 pobór z sieci (2)
Koszęcin, 21.10.2015
15 / 18
DZIAŁANIE INTERFEJSU ENERGOELEKTRONICZNEGO
Magazynowanie energii
SZ
7
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
3
WS
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
OAC
3
AC
7
DC
DC
DC
DC
DC
DC
AC
3
ODC
PV
DC
Magazynowanie energii ma najwyższy
priorytet
µTW
7
DC
PSZ  POAC  PODC  PPV  PTW  PZE
ZE
|PODB|-|POZE|-PZE < 0 sprzedaż do sieci (3)
|PODB|-|POZE|-PZE > 0 pobór z sieci (7)
Koszęcin, 21.10.2015
16 / 18
DZIAŁANIE INTERFEJSU ENERGOELEKTRONICZNEGO
Sprzedaż energii
SZ
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
4 8
WS
OAC PV
SZ
+
+
ZE
ODC µTW
OAC
4
AC
8
DC
DC
ODC
DC
DC
PV
DC
DC
µTW
AC
8
4
DC
DC
PZE  POAC  PODC  PPV  PTW  PSZ
Sprzedaż energii ma najwyższy priorytet
|PODB|-|POZE|-PSZ < 0 ładowanie zas. (4)
|PODB|-|POZE|-PSZ > 0 rozładowanie zas. (8)
ZE
Koszęcin, 21.10.2015
17 / 18
WNIOSKI
1. Interfejs energoelektroniczny może być zbudowany z kilku
przekształtników połączonych wspólnym obwodem napięcia
stałego. To redukuje liczbę konwersji i strat mocy.
2. Do budowy przekształtników składowych interfejsu używa
się przekształtników o różnych topologiach.
3. Omówiono działanie interfejsu na przykładzie różnych
scenariuszy rozpływu mocy wewnątrz interfejsu.
4. Interfejs energoelektroniczny jest jednym z podstawowych
elementów infrastruktury inteligentnych sieci.
Koszęcin, 21.10.2015
18 / 18
Dziękuję za uwagę
Koszęcin, 21.10.2015