Full Text

Nr 64
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 64
Studia i Materiały
Nr 30
2010
generacja rozproszona, jakość energii
Grzegorz BENYSEK*, Marcin JARNUT*
BILANSOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ
W INSTALACJACH UŻYTKOWNIKÓW
KOŃCOWYCH
W artykule omówiona została metoda bilansowania energii elektrycznej w instalacjach odbiorcy
końcowego. Przedstawione rozwiązanie pozwala na redukcję kosztów związanych ze zużyciem energii elektrycznej jak również pozwala na zwiększenie niezawodności zasilania. Opisano budowę, zasadę działania oraz właściwości układu energoelektronicznego realizującego funkcje bilansowania
energii. Przedstawiono także wyniki badań modelu takiego układu.
1. WSTĘP
Wśród czynników wpływających na komfort życia oraz bezpieczeństwo jednym
z bardziej znaczących wydaje się być w dzisiejszych czasach ciągłość dostaw energii
elektrycznej. Jednocześnie przy rosnącym popycie na towar jakim jest energia elektryczna oraz w sytuacji wzrostu cen paliw kopalnych wykorzystywanych w procesie
jej generacji ceny energii stale rosną i nie należy się spodziewać zmiany tego trendu.
Zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną wymaga rozwoju nie tylko sektora wytwórczego, ale także sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Rozwój zwłaszcza
tych ostatnich nie zawsze nadąża za szybko rosnącym zapotrzebowaniem na energię,
ponadto zmiany klimatu powodują zmianę warunków środowiskowych, w których
pracują sieci. Pojawienie się nowych czynników jak gwałtowne burze i towarzyszące
im silne wiatry czy gradobicia powodują, że starsze odcinki sieci, które nie były przewidziane do pracy w takich warunkach ulegają awariom pozbawiając zasilania znaczne obszary. Pewnym rozwiązaniem tej sytuacji jest rozproszenie źródeł energii w systemie, tak aby poprzez rekonfigurowane sieci możliwe było nieprzerwane zasilanie
_________
* Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Inżynierii Elektrycznej, ul. Podgórna 50, 65-246, Zielona Góra,
[email protected], [email protected]
536
największej możliwej w danej sytuacji ilości odbiorców. Źródła te przyłączane są
najczęściej do sieci dystrybucyjnej 110 kV. Zwiększa to niezawodność sieci, lecz
z punktu widzenia odbiorców mniej znaczących dla dystrybutora tzn. odbiorców
przyłączanych po stronie niskiego nn, jest ciągle niewystarczające zwłaszcza na obszarach wiejskich. Mniejsza gęstość zaludnienia na tych obszarach sprzyja natomiast
rozwojowi energetyki niekonwencjonalnej małej mocy, która stanowić może rozwiązanie problemu ciągłości zasilania na tych terenach [1]. Generacja energii elektrycznej
bliżej miejsca jej przetwarzania na inne formy energii uzyskiwana dzięki źródłom
rozproszonym (co raz częściej są to źródła alternatywne typu farny wiatrowe, elektrownie słoneczne itp.) zmniejsza straty powstające w wyniku przesyłu tej energii
sieciami energetycznymi.
Moc generowana przez źródła alternatywne jest niestety w dużym stopniu zależna od
czynników środowiskowych takich jak nasłonecznienie, średnia prędkość wiatru, z tego
powodu istnieje uzasadniona konieczność magazynowania energii w celu jej późniejszego wykorzystania [2]. Energia ta może być konsumowana przez odbiorcę w awaryjnych
stanach sieci (układy typu off-line) lub bilansowana z energią pobieraną z sieci dystrybucyjnej (układy typu grid-connected) [3, 4]. Duże znaczenie z punktu widzenia niezawodności systemu zasilania ma jakość dostarczanej energii. Odbiorca końcowy pośrednio wpływa na jej parametry jakościowe poprzez generowanie odkształceń prądu
wywołujących w „słabszych” odcinkach sieci nieliniowe spadki napięć. Dla pozostałych
odbiorców przyłączonych w bliskim sąsiedztwie objawia się to pogorszeniem parametrów napięciowych. Stosowanie aktywnych układów kompensacyjnych z dodatkowymi
funkcjami bilansowania energii wydaje się uzasadnionym rozwiązaniem w opisanych
sytuacjach.
2. KONCEPCJA UKŁADU SPRZĘGAJĄCEGO
Układy wprowadzające energię ze źródeł rozproszonych oraz układy podtrzymujące
ciągłość zasilania budowane są zwykle w oparciu o falowniki napięcia bilansujące prądy
odbiornika i sieci. Rolę źródeł energii rezerwowej lub źródeł dodatkowych pełnią niewielkie źródła odnawialne, mini-generatory diesla lub gazowe, przyłączane do wspólnej
z magazynem energii i obwodem DC falownika, szyny DC.
W proponowanym rozwiązaniu przekształtnik wraz z reaktancją XS tworzą układ
kondycjonera energii, którego jednofazowy schemat przedstawia rysunek 1 [5, 6]. Jest
on podstawowym elementem systemu bilansowania energii przeznaczonego dla odbiorców końcowych. Ze względu na sposób sterowania realizuje szereg dodatkowych funkcji takich jakich stabilizacja napięcia na zaciskach odbiornika oraz kompensacja składowych nieaktywnych prądu sieci. Stanowić może wielofunkcyjny element systemu
zasilania z wielu źródeł (dywersyfikacja źródeł energii).
537
a)
b)
uX s
PS
iS
PCC
T5
Idc
UDC
uS
Idc(out)
T1
T2
iC
T3
ZL
T4
uG
iG
.
ϕS
uX s
uC
uC
Lf1
Cf1
PG
uS
PC
C1
T6
iS
Im
iL
Xs
Idc(in)
PL
δ
ϕL
iL
Lg
Re
G
Rys. 1. Proponowany system bilansowania energii: a) schemat układu, b) wykres wskazowy (PG = 0)
Fig. 1. Proposed energy balancing system: a) system schematic, b) phasor diagram (PG = 0)
Integralną częścią kondycjonera jest falownik napięcia (T1–T4) przyłączany równolegle z zaciskami odbiornika, pracujący w trybie napięciowym z nadążną modulacją
napięcia wyjściowego. Falownik napięcia kształtuje na zaciskach odbiornika napięcie
o parametrach znamionowych napięcia sieci przesunięte w fazie względem tego napięcia
o kąt zależny od mocy czynnej odbiornika. Punkt synchronizacyjny jest wyznaczany
w układzie PLL. Cechą charakterystyczną układu sterowania jest brak konieczności
pomiaru prądów w celu wyznaczenia mocy czynnej. Aktualna wartość kąta fazowego
napięcia odbiornika jest wyznaczana w układzie stabilizacji napięcia obwodu DC, który
działa na zasadzie bilansowania mocy czynnej w punkcie PCC. Stabilizacja napięcia
obwodu DC falownika wymaga spełnienia ciągu zależności [7]:
ΔU DC = 0 ⇒ I DCIN = I DCOUT ⇒ PG = PC ⇒ PL = PS + PC
(1)
W równaniu (1) regulacji podlega moc czynna sieci PS, a stabilizacja napięcia na
kondensatorze CDC falownika jest wynikiem zmiany tej mocy wywołanej zmianą
kąta fazowego napięcia odbiornika. Jeżeli po stronie odbiorcy nie jest generowana
energia tzn. PG = 0, to układ pozostaje w trybie kompensacji zapewniając stabilizowane sinusoidalne napięcie na zaciskach odbiornika oraz sinusoidalny prąd sieci.
Generowanie energii ze źródeł własnych przyłączonych do obwodu DC falownika
powoduje samoistne przejście układu do trybu bilansowania energii. W trybie tym
zapewnione są także wszystkie funkcje kompensacyjne z trybu kompensacji. Zmiana trybu pracy nie wymaga rekonfiguracji obwodu ani zmian w strategii sterowania
i jest zupełnie niewidoczna dla odbiornika. Szczególnie ta ostatnia właściwość wyróżnia układ spośród proponowanych wcześniej rozwiązań. Łatwo także uzyskać
w takim układzie zablokować możliwość oddawania energii do sieci poprzez nało-
538
żenie ograniczenia na zakres zmian kąta fazowego napięcia odbiornika. Jest to
zwłaszcza przydatne w sytuacji, gdy odbiorca nie miałby możliwości prawnych do
takich działań. Równania bilansu nie ulegają zmianie, występuje jednak w układzie
ograniczenie PS ≥ 0.
3. TRYB BILANSOWANIA ENERGII
Przyłączenie do zacisków DC falownika zewnętrznego źródła energii poprzez
układ dwukierunkowego przekształtnika generatorowego (T5, T6, T1, T2) wymuszającego przekazywanie energii do kondensatora CDC, powoduje wzrost napięcia
na jego zaciskach. Regulator napięcia dążąc do stabilizacji napięcia UDC zmniejsza
sygnał kąta fazowego δ co powoduje zmniejszenie mocy czynnej PS w elemencie
sprzęgającym XS.
W punkcie PCC następuje bilansowanie mocy czynnych odbiornika PL, falownika PC
i sieci PS zgodnie z równaniem:
PL = PS + PC → PC > 0 ↔ PS < PL
(2)
We wzorze (1) moc ze znakiem dodatnim oznacza dostarczanie energii do węzła
bilansującego PCC. Przedstawione na rysunku 2 wyniki badań wykonane w sytuacji, w której do zacisków DC kondycjonera przyłączony jest jednofazowy generator
AC. Specyficznym przypadkiem bilansowania energii w punkcie PCC jest zanik napięcia sieci lub przejście układu do trybu off-line, np. w wyniku przekroczenia zakresu
stabilizacji napięcia odbiornika.
a)
b)
na pięcie sieci uS [V]
2 00V/d iv, 20A /d iv
p rąd sieci i S
prąd odbior nika i L , pr ąd sieci i S
20 A/div
na pięcie od bio rn ika uC [V ]
p rą d o db iornika iL
2 00V/d iv, 20A /d iv
napięcie odbiornika u C , napięcie s ieci u S
200 V/div
mo ce czynn e [W ]: generow an a PG, o bcią żenia PL, sieci PS
(3,1 kW)
0W
1 kW/d iv
pr ąd falownika i C
( 2 kW)
20 A/div
(1,1 kW )
1 0ms/div
20 ms /div
Rys. 2. Wyniki badań układu z generatorem AC:
a) bilansowanie mocy; b) zasilanie awaryjne
Fig. 2. Investigation results in case of AC generation:
a) power balancing, b) uninterruptible supplying
539
W sytuacji takiej PS = 0, co oznacza zasilanie odbiornika z zasobnika energii lub
generatora. Przeprowadzono również badania symulacyjne obrazujące zachowanie
proponowanego rozwiązania podczas zmian obciążenia, rysunek 3 jak i zmian mocy
generowanej przez rozproszone/dodatkowe źródło energii. Można zauważyć, że
w każdym z przedstawionych przypadków metoda bilansowania energii zapewniła
prawidłową pracę układu, dodatkowo zmiany napięcia w obwodzie DC nie wpływały
na parametry obciążenia.
US [V]
IS [X 10A]
UC [V]
IL [ X10A]
UDC [V]
Uśrednione moce [W]:
PL = 1.1k[W]
PG
PL
PS
PL = 2.1k[W]
200ms/div
Rys. 3. Wyniki badań symulacyjnych w sytuacji zmian mocy PL (generator DC; PG > PL)
Fig. 3. Investigation results in case of load power change (DC generator; PG > PL)
Zaproponowane rozwiązanie zweryfikowano również eksperymentalnie, w modelu
laboratoryjnym małej mocy (2 kVA). Wyniki badań eksperymentalnych dotyczą sytuacji
sprzęgania z siecią dystrybucyjną nn, rozproszonych źródeł prądu stałego, jak na rysunku 4. Jak można zauważyć zgodnie z zasadą bilansowania energii zmiana (wzrost bądź
spadek) mocy generowanej przez dodatkowe źródło odbiorcy indywidualnego, powoduje odwrotną zmianę (spadek bądź wzrost) mocy po stronie sieci zasilającej. Na uwagę
zasługuje także fakt, iż bilansowanie energii nie zakłóca procesu dostawy energii do
odbiornika – proponowany układ zapewnia stabilizowane napięcie na zaciskach odbiornika, a co za tym idzie moc na zaciskach odbiornika staje się niezależna od wahań napię-
540
cia sieci zasilającej. W zależności od potrzeb sterowanie układem przekształtników ze
wspólnym obwodem pośredniczącym odbywać się może w różnych reżimach sterowania między innymi:
− MPPT (Maximum Power Point Tracking) pozwalającego na najbardziej efektywne wykorzystanie generacji własnej odbiorcy;
− ograniczenie mocy czynnej od strony sieci zasilającej (w tym reżimie wymagana
jest współpraca z magazynem energii lub źródło energii z regulacją pierwotną).
a)
b)
Rys. 4. Wyniki badań eksperymentalnych w sytuacji zaniku napięcia US
(rozproszone źródło DC)(gdzie: Ch1 – uS, Ch2 – iS, Ch3 – uC, Ch4 – iL)
Fig. 4. Experimental investigation results in case of main voltage US outage
(dispersed DC energy source)(where gdzie: Ch1 – uS, Ch2 – iS, Ch3 – uC, Ch4 – iL)
Rys. 5. Wyniki badań eksperymentalnych w sytuacji zmian mocy PG:
a) wzrost mocy PG; b) spadek mocy PG (gdzie: Ch1 – uS, Ch2 – iS, Ch3 – iL, Ch4 – iG)
Fig. 5. Experimental investigation results in case of generated power change PG:
a) growth of PG; b) decrease of PG (where Ch1 – uS, Ch2 – iS, Ch3 – iL, Ch4 – iG)
541
Kolejnym przeanalizowanym przypadkiem, był zanik napięcia sieci. W takiej sytuacji moc pobierana z sieci wynosi zero PS = 0, co oznacza zasilanie odbiornika
z zewnętrznego zasobnika energii, bądź generatora (patrz rysunek 5) – w rozpatrywanym
przypadku było to zewnętrzne źródło prądu stałego. Jak widać, pomimo zaniku napięcia
sieci, układ zapewnia stałe napięcie na zaciskach odbiornika oraz stałą moc dostarczaną
na zaciski obciążenia.
Odbiorca 1
WLZ
0,4 kV
<U
SO1
B
SS
kWh
E1_1
SW1
SO2
XS
SO3
UC
SG
UC
SW2
Sieć DC AC/DC
FG
Sieć
Dystrybucyjna
0,4 kV
E2_1
PLL
E2_2
DC/DC
US
magazyn
energii
FG
SW2
SG
E1_2
UC
UC
SO1
B
SW1
kWh
SS
SO2
XS
<U
Odbiorca 2
SO3
WLZ
0,4 kV
Rys. 6. Lokalny system bilansowania energii dla grupy odbiorców końcowych
Fig. 6. The local energy balancing system for group of end-users
Rozwinięciem proponowanego wcześniej rozwiązania może być układ bilansujący dla
grupy odbiorców ze wspólnym zasobnikiem energii i źródłami przyłączanymi do sieci
DC. W tego typu rozwiązaniu (patrz rysunek 6), każdy z odbiorców posiada własny
kondycjoner energii realizujący wszystkie przypisane mu funkcje. Rozwiązania tego
typu mogą okazać się szczególnie przydatne w sytuacji, gdy odbiorcy indywidualni mają
zainstalowane różnego typu źródła dodatkowe energii – ogniwa fotowoltaiczne, małe
542
generatory wiatrowe, ogniwa paliwowe itp. Źródła takie, ze względu na zmienne warunki atmosferyczne generują zmienną w czasie moc, której nadwyżki mogą być przekazywane do odbiorców z deficytem energii. Dzięki proponowanemu układowi można
również wyrównywać obciążenia pomiędzy poszczególnymi odbiorcami, wynikające
m.in. z faktu nierównomiernego dobowego zużycia energii elektrycznej w poszczególnych budynkach. Wszystkie opisane działania przyczynią się do zmniejszonego poboru
energii elektrycznej, a w rezultacie do niższych rachunków za energię. System bilansowania z rysunku 6 może być pierwszym rokiem do rozwoju sieci typu Smart Grid na
poziomie sieci dystrybucyjnej. Może przynieść wymierne korzyści finansowe właścicielom źródeł rozproszonych, którymi w takim układzie mogą być zarówno odbiorcy
końcowi jak i firmy multienergetyczne. Oprócz korzyści finansowych, układ pozwala
na zwiększenie niezawodności zasilania poprzez dywersyfikację źródeł energii w instalacji odbiorcy końcowego.
4. PODSUMOWANIE
Przedstawione w artykule wyniki badań potwierdzają skuteczność działania układu
oraz szeroki zakres realizowanych funkcji. Ze względu na te cechy jak i prosty algorytm
sterowania układ może znaleźć szerokie zastosowanie, zwłaszcza tam gdzie inne środki
poprawy jakości energii i środki zapewniające niezawodność zasilania zawodzą. Działania nakreślone w umowach międzynarodowych, dyrektywach i normach zmierzające w kierunku redukcji emisji gazów powstających w tradycyjnych procesach wytwarzania energii elektrycznej jak i w kierunku zwiększenia efektywności energetycznej
powodują rosnące zapotrzebowanie na tanie, niezawodne zasilanie. Wydaje się zatem, że
układy przedstawione w artykule pozwalające na aktywizację odbiorcy w zakresie wytwarzania energii elektrycznej oraz jej bilansowania mogą stać się alternatywą dla obecnie stosowanych rozwiązań.
LITERATURA
[1] BENYSEK G., Improvement in the quality of delivery of electrical energy using power electronics systems, Springer-Verlag, London 2007.
[2] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Voltage source power line conditioners, Jakość i Użytkowanie Energii Elektrycznej, 2004, T. 10, z. 1/2, s. 13–24.
[3] STRZELECKI R., Aktywne układy kondycjonowania energii – APC, Przegląd Elektrotechniczny,
7/2002.
[4] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Aktywne kondycjonery energii dla indywidualnych
użytkowników, PES4, Kościelisko, 23–27 czerwca 2003.
[5] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Właściwości statyczne i dynamiczne filtru aktywnego
typu VPLC z dodawczym źródłem napięciowym, Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym – SENE 2003. VI krajowa konferencja naukowa, Łódź, Polska, 2003.
543
[6] STRZELECKI R., BENYSEK G., JARNUT M., Power quality conditioners with minimum number
of current sensors requirement, Przegląd Elektrotechniczny, 2008, nr 11, s. 295–298.
[7] STRZELECKI R., TUNIA H., JARNUT M., MECKIEN G., BENYSEK G., Transformerless 1-phase
active power line conditioners, Power Electronics Specialist Conference, PESC ‘03. IEEE 34th Annual, June 15–19, 2003, Vol. 1, p. 321– 326.
ENERGY BALANCING INSIDE END-USERS INSTALLATIONS
The paper introduces system for energy balancing inside end-user installations. Described solutions
allow to use user’s own energy sources for overall cost reducing and for reliability improvement of energy delivering. The fundamentals of operation, structure and properties of power electronics based balancing system have been presented as well as some investigation results.