benysek jarnut

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 największej możliwej w
danej sytuacji ilości odbiorców. Źródła te przyłączane są najczęściej do sieci
__________
 Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Inżynierii Elektrycznej, ul. Podgórna 50, 65-246, Zielona Góra,
[email protected], [email protected]
2
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).
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
3
a)
b)
uXs
PS
iS
PCC
iL
Xs
Idc(in)
T5
Idc
UDC
uS
T6
PL
Idc(out)
T1
.
iC
T3
uS
S
uXs
uC
Lf1
C1
T2
iS
Im
PC
uC
ZL
T4
Cf1

PG
uG
iG
Lg
G
L
iL
Re
Rys.1. Proponowany system bilansowania energii: a) schemat układu, b) wykres wskazowy (P G =0).
Fig.1. Proposed energy balancing system: a) system schematic, b) phasor diagram (P G=0).
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]:
U 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 nałożenie ograniczenia na zakres zmian kąta fazowego napięcia
odbiornika. Jest to zwłaszcza przydatne w sytuacji gdy odbiorca nie miałby
4
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  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
a) ze znakiem dodatnim oznacza dostarczanie energii do węzła
200V/div,
20A/div
prąd
sieci i
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
napięcie odbiornika
u [V] sieci lub
prąd odbiornika
i
200V/div, 20A/div
zanik
napięcia
przejście
układu
do trybu off-line np. w wyniku przekroczenia
zakresu stabilizacji napięcia odbiornika.
W sytuacji takiej PS=0, co oznacza zasilanie odbiornika z zasobnika energii lub
moce czynne [W]: generowana
P , obciążenia P , sieci P
generatora.
Przeprowadzono
również 1kW/div
badania symulacyjne obrazujące zachowanie
(3,1 kW)
(2 kW)
proponowanego rozwiązania
podczas zmian obciążenia, rysunek 3 jak i zmian mocy
(1,1 kW)
0W
generowanej
przez rozproszone/dodatkowe
źródło energii. Można zauważyć, że w
10ms/div
każdym z przedstawionych przypadków metoda bilansowania energii zapewniła
prawidłową pracę układu,
dodatkowo zmiany napięcia w obwodzie DC nie wpływały
b)
naprąd
parametry
obciążenia.
odbiornika i , prąd
sieci i
napięcie sieci uS [V]
S
C
L
G
L
L
S
S
20 A/div
napięcie odbiornika uC , napięcie sieci uS
200 V/div
prąd falownika iC
20 A/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.
5
US [V]
IS [X10A]
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
napięcia 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).
6
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 ).
Kolejnym
przeanalizowanym
przypadkiem, był zanik napięcia sieci. W
takiej sytuacji moc pobierana z sieci
wynosi zero P S=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.
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
7
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 generatory wiatrowe,
Odbiorca 1
WLZ
0,4 kV
<U
SO1
B
SS
SO2
kWh
SW1
E1_1
XS
SO3
UC
SG
UC
Sieć DC
AC/DC
SW2
FG
Sieć
Dystrybucyjna
0,4 kV
E2_1
PLL
E2_2
DC/DC
US
magazyn
energii
FG
SW2
SG
UC
UC
E1_2
SO1
B
SS
SW1
SO2
kWh
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
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
8
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, 2007, London: Springer-Verlag.
[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
[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. AND BENYSEK G., Transformerless 1phase active power line conditioners, Power Electronics Specialist Conference, 2003. PESC '03.
2003 IEEE 34th Annual Volume 1, 15-19 June 2003 Page(s):321 - 326 vol.1.
ENERGY BALANCING INSIDE END-USERS INSTALATIONS
9
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.