Read Beata Borkowska, Halina Kolenda text version

Ryszard Strzelecki

Akademia Morska w Gdyni

TECHNOLOGIE ENERGOELEKTRONICZNE W NOWOCZESNYCH SYSTEMACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

W artykule omówiono najwaniejsze obszary zastosowa energoelektroniki w systemach elektroenergetycznych, w szczególnoci w systemach dystrybucyjnych. Przytoczone przyklady unaoczniaj zarazem celowo i niezbdno oraz wskazuj kierunki dalszych prac badawczo-aplikacyjnych w tych obszarach, w tym prac koniecznych do przeprowadzenia w Polsce. Moliwo wykorzystania w tym celu potencjalu krajowych orodków badawczo-rozwojowych ilustruj przedstawione rozwizania praktyczne ukladów energoelektronicznych, dedykowanych bd z moliwoci adaptacji do systemów dystrybucyjnych.

1. WSTP

Podczas gdy zuycie energii elektrycznej (EE) zgodnie z prognozami bdzie wzrasta (prawdopodobnie jednak wolniej ni przewidywano to 2­3 lata temu), tempo inwestycji w systemy elektroenergetyczne (SEE) w najlepszym wypadku pozostanie stale. Cigle s preferowane rozwizania tradycyjne w postaci nowych elektrowni i linii zasilajcych oraz towarzyszcych im urzdze, mimo i proces ich lokalizacji i budowy jest trudny, kosztowny i czasochlonny. Konieczne inwestycje s zazwyczaj prowadzone na zasadzie kompromisu pomidzy kosztami a wymagan niezawodnoci dostawy energii elektrycznej, któremu sprzyja zamiana struktury linii zasilajcych z promieniowej na sieciow. Niestety, taka zamiana prowadzi równie do obnienia moliwoci sterowania przeplywem mocy. Jest to szczególnie ryzykowne w sytuacji utraty jednej linii, powodujcej przecienie innej linii i zwikszajcej prawdopodobiestwo blackoutu. Ponadto, gwaltowny wzrost obcienia prowadzi do ,,tloku" na liniach kluczowych i w konsekwencji do nieefektywnego funkcjonowania rynku energii. Rozwizaniem wydaje si przeksztalcenie obecnych SEE w tzw. inteligentne sieci elektroenergetyczne (ISEE) ­ koncepcj jednej z nich przedstawiono na rysunku 1. Przemawia za tym zarówno ich pelna sterowalno, jak i elastyczno oraz niezawodno. Ponadto ISEE umoliwiaj stworzenie samokontrolujcej si platformy do wspólpracy duej iloci ródel rozproszonych i elektrowni centralnych [45, 49].

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

165

Rys. 1. Koncepcja ,,inteligentnej" sieci elektroenergetycznej (ISEE)

Jednym z podstawowych warunków przeksztalcenia tradycyjnych SEE w ISEE jest upowszechnienie w elektroenergetyce nowoczesnych ukladów energoelektronicznych (UE), w tym ukladów typu FACTS (Flexible AC Transmission System) oraz HVDC (Hight Voltage DC) [44, 54, 55] bd M (Medium) VDC lub L (Low) VDC, a take bardzo licznej rodziny ukladów typu CPS (Custom Power System) [21]. Szersze wykorzystanie UE wskazane jest równie w modernizowanych tradycyjnych SEE. Dotychczasowa aparatura lcznikowo-sprzgajca to w wikszoci urzdzenia mechaniczne. Ich szybko dzialania jest zadowalajca do sterowania SEE w stanie ustalonym, lecz nie wystarcza w sytuacjach wymagajcych reagowania na nieprzewidziane zmiany napicia i warunków przeplywu. Ta negatywna cecha urzdze mechanicznych szczególnie uwidacznia si w konfrontacji z coraz wikszymi wymaganiami w zakresie jakoci energii elektrycznej [50, 59, 63]. Szersze zastosowanie UE w SEE ju dzisiaj pozwoliloby na pelniejsze wykorzystanie istniejcych zasobów dystrybucyjnych i przesylowych, przy zachowaniu dotychczasowego stanu, a nawet poprawie bezpieczestwa zasilania. Celem niniejszego artykulu jest przedstawienie miejsca oraz moliwoci zastosowania nowoczesnych ukladów energoelektronicznych w SEE, ze szczególnym uwzgldnieniem systemów dystrybucyjnych z duym udzialem ródel rozproszonych, w szczególnoci ródel odnawialnych. Dodatkowo autor zaprezentowal wybrane rozwizania praktyczne opracowane z jego udzialem, ilustrujce czciowo moliwoci krajowego potencjalu naukowo-technicznego.

2. MIEJSCE ENERGOELEKTRONIKI W ELEKTROENERGETYCE

Obszar zastosowa UE w SEE mona ogólnie podzieli na: 1) systemy przesylu energii elektrycznej, 2) systemy dystrybucji (dostawy i odbioru) energii elektrycznej.

166

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

W systemach przesylowych, zasadniczo, wyrónia si tylko dwie komplementarne technologie sterowania przesylem energii [55]: a) z przetwarzaniem na prd staly ­ uklady HVDC, b) bezporednie ­ uklady FACTS. Ogólne porównanie tych technologii ilustruje rysunek 2. b)

FACTS ­ Flexible Alternating Current Transmission System

a)

HVDC ­ Hight Voltage Direct Current *00 MW ~ *000 MW Przeksztaltniki AC-DC Dlugie linie przesylowe DC: > 50 km podmorskie > 200 km kablowe > 1000 km powietrzne Przeksztaltniki AC-DC Przeksztaltniki DC-AC Sprzg DC Róna czstotliwo lub niedopasowanie systemów Przeksztaltniki DC-AC Obszar odlegly

Róne typy Urzdze Energoelektronicznych Przeksztaltników/Sterowników *0 MW ~ *00 MW Linia przesylowa AC o: - kontrolowanej wymianie mocy - wyszej zdolnoci przesylowej

Rys. 2. Energoelektronika w systemach przesylu: a) prdem stalym, b) prdem przemiennym

Zalet ukladów typu HVDC jest moliwo przesylu energii midzy systemami o rónych czstotliwociach. Jednake w przypadku konwencjonalnych rozwiza HVDC, tj. z zastosowaniem tyrystorów SCR, konieczne s due uklady filtracyjne i nie ma moliwoci zasilania odbiorców po tej stronie, po której odlczono ródlo systemowe. Te wady nie wystpuj przy wykorzystaniu nowoczesnych energoelektronicznych lczników wylczalnych duej mocy, takich jak tyrystory GTO lub tranzystory IGBT [41]. Naley przy tym zauway, e w ukladach HVDC cala EE z jednego systemu do drugiego zawsze przeplywa przez przeksztaltnik. Std te ich wysokie koszty, nawet w instalacjach jednostacyjnych (np. sprzgi prdu stalego). Natomiast w ukladach typu FACTS, takich jak: kompensatory równolegle SVC (Static Var Compensator) oraz STATCOM (Static Synchronous Compensator), kompensatory szeregowe TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator), TSSC (Thyristor Switched Series Compensator) oraz SSSC (Static Synchronous Series Compensator), przesuwniki fazowe SPS (Static Phase Shifter), zunifikowane sterowniki przeplywu mocy UPFC (Unified Power Flow Controller), tylko cz mocy przeplywa przez przeksztaltniki. Uklady te nadaj si jednak wylcznie do sterowania przeplywem EE w systemach AC o jednakowej czstotliwoci.

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

167

Znacznie wiksza rónorodno UE i technologii ich sterowania wystpuje w systemach dystrybucji. W tych systemach przeksztaltniki/sterowniki energoelektroniczne s stosowane ogólnie do: dopasowania parametrów i sprzgania rozproszonych ródel alternatywnych/ odnawialnych z lini zasilajc lub lokalnym odbiorc oraz sterowania poborem EE z tych ródel (rys. 3), dopasowania parametrów i sprzgania zasobników energii z lini zasilajc oraz sterowania wymian energii pomidzy zasobnikami a lini (rys. 4), poprawy jakoci zasilania i odbioru EE, w tym midzy innymi: dopasowania poziomów oraz kompensacji zapadów i chwilowych wzrostów, a take niesymetrii i odksztalce napicia zasilajcego oraz kompensacji odksztalce, niesymetrii i przesuni fazowych prdu odbiornika (rys. 4).

AC Przeksztaltniki DC-AC

Linia AC

Ogniwa PV

DC

Ogniwa paliwowe * kW ~ * MW Turbiny wiatrowe Przeksztaltniki AC-AC

Male hydrogeneratory f=var.

f=const.

Rys. 3. Energoelektronika w systemach generacji alternatywnej

Magazynowanie energii Zasobniki kinetyczne Baterie (akumulatory) Zasobniki nadprzewodnikowe Due kondensatory (superkondensatory) Inne Przeksztaltniki Energoelektroniczne DC AC

Odbiór energii

Wysoka jako energii elektrycznej Niska jako energii elektrycznej

Sterowniki Energoelektroniczne Przeksztaltniki/ Sterowniki/Lczniki i inne *0 kW ~ *0 MW

Automatyzacja procesów/ odbiorca przemyslowy

* kW ~ * MW Linia zasilajca AC

Rys. 4. Energoelektronika w systemach magazynowania i odbioru energii elektrycznej

168

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

3. PRZYKLADY ZASTOSOWA UE W ELEKTROENERGETYCE

Rysunek 5 ilustruje najwaniejsze obszary zastosowa UE w SEE, na rónych poziomach mocy. Dalsze omówienie tych obszarów, ze wzgldu na przedmiot tego artykulu i cechy wspólne wykorzystywanych rozwiza, ograniczono do: instalacji wiatrowych, zasobników energii i ródel (ogniw) niskonapiciowych, sprzgów sieciowych i ukladów poprawy jakoci energii.

IG

Generatory zmiennoprdkociowe

1

Generatory staloprdkociowe

SG

Ogniwa Ogniwa PV paliwowe

Zespól prdotwórczy Diesiela SG

SG

IG

Akumulatory Zasobnik kinetyczny

5

S-APF, DVR

SG

P-APF, D-STATCOM

S/P-APF, UPQC, DVR

2

3

5

Sie lokalna 2 Staloprdkociowy turbogenerator komutatorowy ST SG Ex Sie lokalna 1 Sprzg DC N (MVDC) Sie 1, f1

4

Sprzg DC NN (LVDC)

Zasobnik szczytowo-pompowy DFM

2

4

Zasobnik nadprzewodnikowy (SMES)

Sie 2, f2

Sprzg DC WN (HVDC)

5

Kompensator FC/TCR

Rozrusznik turbiny gazowej

SM

6

Przeksztaltnik sieci trakcyjnej

Kompensator STATCOM

Sterownik UPFC

6

Rys. 5. Obszary zastosowa UE w SEE: 1 ­ instalacje wiatrowe, 2 ­ zasobniki energii, 3 ­ systemy zasilania ze ródel niskonapiciowych, 4 ­ sprzgi sieciowe, 5 ­ uklady poprawy jakoci, 6 ­ uklady sterowania przesylem

3.1. Instalacje wiatrowe W instalacjach wiatrowych UE najczciej umieszcza si w generatorach turbin (rys. 6) [6, 43]. Pocztkowo stosowano w nich glównie maszyny indukcyjne klatkowe (IM) dolczane bezporednio do SEE, a energoelektronik wykorzystywano tylko w ukladach lczeniowo-rozruchowych. Dlatego te w takich turbinach wystpuje przenoszenie pulsacji mocy wiatru do sieci, a ponadto nie ma moliwoci aktywnego sterowania moc czynn i biern. Znaczenie takiego sterowania, podanego dla kontroli napicia i czstotliwoci w SEE, ronie przy

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

169

tym wraz ze wzrostem mocy [6, 26]. Z tych przyczyn generatory z maszynami indukcyjnymi klatkowymi dolczanymi bezporednio do SEE stosuje si sporadycznie w nowych instalacjach duej mocy. Rzadko te, ze wzgldu na straty mocy i ograniczone moliwoci regulacyjne, s instaluje si generatory z maszyn indukcyjn piercieniow (WRIM) i rezystancj regulowan energoelektronicznie w obwodzie wirnika [53].

Generatory z maszynami indukcyjnymi klatkowymi a)

Sie Przekladnia IM

Zmiana kta lopat Efekt przecigania Zmiana liczby biegunów Sterowanie

Kompensator mocy biernej

Generatory z maszynami indukcyjnymi piercieniowymi a)

Sie AC Przekladnia Sie

b)

Przekladnia IM AC DC Pref, Qref DC

WRIM

Generatory z maszynami synchronicznymi a)

DC AC Przekladnia SM AC DC Pref, Qref AC DC Pref, Qref DC AC Sie DC AC Sie Przekladnia

Regulowana rezystancja

Kompensator mocy biernej

b)

DFIM Sie

AC DC Pref, Qref

DC AC

b)

Przekladnia PMSM

Rys. 6. Podstawowe rodzaje generatorów turbin wiatrowych

Obecnie na wiecie w 70­80% wykorzystuje si generatory turbin wiatrowych: z maszyn indukcyjn piercieniow podwójnie zasilan (DFIM) i przeksztaltnikiem AC-DC/DC-AC w obwodzie wirnika (wymiarowanym tylko na moc polizgu), z maszyn synchroniczn (SM) i przeksztaltnikiem AC-DC/DC-AC w torze glównym oraz przeksztaltnikiem AC-DC w obwodzie wzbudzenia, z maszyn synchroniczn o magnesach stalych (PMSM) i przeksztaltnikiem AC-DC/ DC-AC w torze glównym. W ostatnich latach ponownie pojawiaj si generatory z maszynami indukcyjnymi klatkowymi (IM) o wzbudzeniu wlasnym i przeksztaltnikiem AC-DC/DCAC w torze glównym (wymiarowanym na peln moc) [8, 19, 53]. Wszystkie te rozwizania, cho drosze od stosowanych na pocztku rozwoju energetyki wiatrowej, cechuj si duo lepszymi wlaciwociami regulacyjnymi, w tym: moliwoci regulacji mocy czynnej i biernej, moliwoci pracy przy zmiennej prdkoci obrotowej walu, szybk reakcj na zmiany warunków wiatrowych

170

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

(0,5÷1 ms), pomijalnym wplywem i odpornoci na pogorszenie jakoci EE w SEE, a take moliwoci pracy wyspowej [26, 43]. Te cechy wspiera implementacja wektorowych metod sterowania, opracowanych pierwotnie dla napdu [9, 38, 51], oraz algorytmów MPPT (Maximum Power Point Tracking) umoliwiajcych pelne wykorzystanie dostpnej energii wiatru [8]. Wielobiegunowe SM i PMSM pozwalaj przy tym wyeliminowa przekladni mechaniczn ­ podnosi to sprawno turbiny. Przeksztaltniki energoelektroniczne duej mocy s równie czci farm wiatrowych, obejmujcych minimum kilka ustawionych blisko siebie i polczonych turbin. Konfiguracja farmy zaley przy tym zarówno od rodzaju generatora turbiny, jak i od typu stosowanych przeksztaltników oraz topologii SEE [6, 26, 43]. Przykladem s typowe polczenia turbin z generatorami indukcyjnymi pokazane na rysunku 7. a) 1

Sie

D-STATCOM lub SVC

b) 2

AC DC DC AC

Sie

c) 3

DC AC

Sie

d) 4

Sie

DC AC

DC AC AC DC DC AC AC DC DC AC

DC AC

DC AC AC DC DC AC AC DC DC AC

Rys. 7. Typowe polczenia turbin z maszynami indukcyjnymi stosowane na farmach wiatrowych: a) z kompensatorem mocy biernej (D-STATCOM lub SVC), b) ze wspólnym sprzgiem DC z sieci zasilajc, c) z wewntrzn sieci DC i indywidualnym sterowaniem moc, d) z indywidualnym sterowaniem moc

W farmie jak na rysunku 7a, grupujcej turbiny z generatorami klatkowymi, uklad D-STATCOM (lub SVC) dostarcza moc biern do maszyn i pomaga w utrzymaniu profilu napicia w sieci. Niestety, ta farma nie daje moliwoci indywidualnego sterowania moc turbin i kontroli cyrkulacji mocy pomidzy turbinami. Nie jest równie moliwa eliminacja zjawiska przenoszenia pulsacji mocy wiatru do sieci. Tej ostatniej wady pozbawiona jest farma przedstawiona na rysunku 7b, poniewa sprzg DC (przeksztaltnik AC-DC/DC-AC) pozwala nie tylko kontrolowa moc biern oraz profil napicia sieci, ale równie aktywnie sterowa moc czynn, dostarczan do sieci. Ten sprzg stwarza take interesujc opcj podlczenia farmy umiejscowionej daleko do istniejcego SEE lini DC. Rozwiniciem koncepcji zastosowania sprzgów DC w farmach wiatrowych jest konfiguracja przedstawiona na rysunku 7c. Cz prostownikowa przeksztaltnika AC-DC/ DC-AC duej mocy (rys. 7b) zostala rozdzielona na poszczególne turbiny, tworzc w ten sposób wewntrzn sie DC i umoliwiajc indywidualne sterowanie moc turbin. Naley przy tym zaznaczy, e dopasowanie turbiny do sieci DC jest znacznie prostsze ni do sieci AC, poniewa sie DC wymaga tylko

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

171

jednego parametru kontrolowanego (amplitudy), a sie AC a trzech (amplitudy, czstotliwoci i fazy). Ponadto wydzielenie sieci DC upraszcza dolczenie zasobników energii. Dlatego przeksztaltniki AC-DC/DC-AC w poszczególnych turbinach wystpuj na farmie zazwyczaj tylko wtedy, gdy ju wczeniej s zintegrowane z turbin. Najczciej te dotyczy to turbin, w których stosuje si generatory z maszynami DFIM (rys. 7d) lub PMSM. Przeksztaltniki AC-DC/DC-AC dla poszczególnych turbin znajduj równie swoje uzasadnienie w przypadkach bardzo duych mocy. 3.2. Zasobniki energii i systemy ze ródlami niskonapiciowymi Zasobniki energii, w postaci akumulatorów, powszechnie s stosowane w ukladach zasilania awaryjnego. W takich ukladach wikszej mocy wykorzystuje si równie kola zamachowe [37], gromadzce energi kinetyczn. Przyklad zasobnika kinetycznego, wykonanego w postaci kontenera przedstawia rysunek 8. Niedue zasobniki wysokoobrotowe s dolczone do wewntrznej linii DC przez przeksztaltniki AC-DC, a dopiero potem przez przeksztaltnik DC-AC do linii AC. To rozwizanie, ze wzgldu na mniejszy moment bezwladnoci pojedynczego zasobnika, cechuje wysoka dynamika i prosta moliwo jej dalszego podwyszenia. W tym celu stosuje si dodatkowy zasobnik akumulatorowy lub/i kondensatorowy w linii DC. Naley przy tym zaznaczy, e najwiksze trudnoci w wykonaniu nowoczesnego zasobnika kinetycznego wi si nie z energoelektronik, a z technologi wysokoobrotowego kola zamachowego (60 000÷90 000 obrotów/min).

AC DC

AC DC

AC DC

AC DC

AC DC

Linia AC

AC DC Bus DC

DC AC DC AC DC DC AC DC AC AC

Rys. 8. Przyklad kontenerowego zasobnika kinetycznego

Akumulatory, kola zamachowe i inne zasobniki, takie jak: zbiorniki wodne, systemy wodorowe, magazyny energii cieplnej, superkondensatory, magazyny nadprzewodzce czy zbiorniki spronego powietrza s take uywane w ukladach

172

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

generacji rozproszonej ze ródlami odnawialnymi [22, 49]. Celem jest poprawa dyspozycyjnoci tych ródel, tj. zlagodzenie, lub nawet wyeliminowanie, wplywu warunków zewntrznych (pogodowych) na moc chwilow dostarczan do SEE. Do sprzgania tych zasobników z sieci slu róne UE. Na rysunku 9 przedstawiono przyklad wykorzystania zasobnika energii do kompensacji pulsacji mocy czynnej wywolanych wahaniami energii wiatru. Stopie kompensacji zaley od pojemnoci i wlaciwoci dynamicznych zasobnika oraz zastosowanego algorytmu sterowania [56]. To z kolei wplywa na moc przeksztaltnika, którego typ wybiera si z uwzgldnieniem dwukierunkowego przeplywu energii i rodzaju zasobnika. Na przyklad dla akumulatorów bdzie to przeksztaltnik AC-DC, a dla kola zamachowego z silnikiem AC przeksztaltnik ACAC. Moc przeksztaltnika zaley take od jego funkcji dodatkowych, np. zdolnoci kompensacji mocy biernej.

Podstacja sprzgajca farm wiatrow

Uklad przesylowy poredni MV Moc wyjciowa

,,Wygladzony" odplyw instalacji wiatrowej

Farma wiatrowa

Moc wyjciowa

Odplyw farmy wiatrowej

Czas

Zasobnik energii

Moc wyjciowa

Przeksztaltnik energoelektroniczny 2-kierunkowy

Czas Wyjcie falownika

Czas

Rys. 9. Zastosowanie zasobnika energii do kompensacji pulsacji mocy czynnej na odplywie farmy wiatrowej

W przypadku wykorzystywania zasobników oraz ródel niskonapiciowych dodatkowy i bardzo istotny wplyw na wlaciwoci przyjtego rozwizania ma konfiguracja ródel i sposób dopasowania poziomów ich napi. Wlaciwoci rozwizania zale przy tym, w sposób oczywisty, od UE stosowanych jako odpowiednie interfejsy [7]. Jako typowe przyklady mona tutaj wskaza systemy zasilania z ogniw fotowoltaicznych (PV) i ogniw paliwowych (FC) [12, 16], mimo e te ogniwa, w odrónieniu od zasobników, nie cechuj si moliwoci dwukierunkowego przeplywu energii.

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

173

a) Konwencjonalna

b)

Modulowa

c)

Zintegrowana

Przetwornica centralna 1-5 kW

Rozdzielnica DC AC

Przetwornica modulowa 0,5-1 kW DC DC AC AC Polczenie z dowolnym miejscem sieci domowej 230 V

DC AC

DC AC

Przetwornica zintegrowana 0,1-0,5 kW Polczenie z dowolnym miejscem sieci domowej 230 V

Rozdzielnica domowa 3×400V

Rys. 10. Typowe konfiguracje systemów zasilania z ogniwami PV: a) konwencjonalna, b) modulowa, c) zintegrowana

Dla systemów PV wyrónia si trzy podstawowe konfiguracje polcze przedstawione na rysunku 10. Najbardziej uniwersaln, a zarazem o najwyszych wymaganiach wzgldem UE, jest konfiguracja z niedu przetwornic DC-AC zintegrowan z modulem PV. Przetwornica powinna si charakteryzowa: bardzo wysok sprawnoci i malymi gabarytami, wielokrotnym podwyszeniem napicia ogniwa oraz sinusoidalnym napiciem wyjciowym, a take moliwoci pracy w polczeniach równoleglych. Te wymagania udaje si polczy w rónych UE o modulacji impulsowej, np. [7, 10, 12, 28, 39, 42, 61], realizowanych za pomoc wspólczesnych podzespolów energoelektronicznych [15, 32, 37, 41]. W systemach PV konfigurowanych konwencjonalnie, na ogól o wikszej mocy, czsto stosuje si wewntrzn szyn DC (rys. 11). Jej cel jest podobny jak w przypadku farmy wiatrowej przedstawionej na rysunku 7c. Szyna DC pozwala te latwiej izolowa galwanicznie ogniwa PV za pomoc transformatorów w.cz. (rys. 12b), ponadto moe by integraln czci wewntrznej mikrosieci prdu stalego [30, 31, 35, 40]. a)

1

b)

2

Rys. 11. Przykladowe polczenia ogniw PV z sieci dystrybucyjn

W podobny sposób jak systemy PV, z wykorzystaniem bliniaczych UE i szyny DC, s równie konfigurowane systemy z ogniwami FC [16, 36]. W tym

174

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

wypadku, ze wzgldu na mikk charakterystyk wyjciow i niskie napicie pojedynczego ogniwa, istotne znaczenie ma lczenie ogniw FC w stosy o wymaganym napiciu wyjciowym i zdolnoci obcieniowej. Przykladowe zastosowanie polcze ogniw FC w stosy szeregowy i równolegly oraz charakterystyki prdowo-napiciowe tych stosów pokazano na rysunku 12.

Komórka 1 Komórka 2 Modul FC Komórka N

75

Modul FC

Modul FC

Napicie stosu FC, V

55 n1 40 0 2 3 600

4

5 1200

Komórka N

Komórka 2

Komórka 1

Napicie stosu FC, V

Prd stosu FC, A

Modul FC

10n 9 8 7 6 5 4 3 2 1

800

400

Prd stosu FC, A

100

200

0

Rys. 12. Polczenia równolegle i szeregowe modulów FC w stosy i ich charakterystyki

3.3. Sprzgi sieciowe i uklady poprawy jakoci energii Energoelektroniczne sprzgi sieciowe oraz uklady poprawy jakoci energii maj bardzo wiele cech wspólnych z ukladami sterowania przesylem energii. Zasadnicza rónica wynika z funkcji i miejsca tych ukladów w SEE [21]. Najbardziej uniwersalnymi sprzgami s uklady typu ,,back-to-back" skladajce si z dwóch w pelni sterowalnych przeksztaltników AC-DC i DC-AC (napicia lub prdu), polczonych obwodem DC [11, 46, 51, 58]. Gdy jeden przeksztaltnik pracuje jako falownik, to drugi jako prostownik. Zamiana trybów pracy przeksztaltników powoduje zmian kierunku przeplywu mocy. Przez obwód poredniczcy DC przeplywa przy tym zawsze tylko moc czynna ­ z tego powodu uklad staje si niewraliwy na rónice czstotliwoci i fazy w sprzganych sieciach. Co wicej, za spraw obwodu DC kady przeksztaltnik moe równie niezalenie spelnia dodatkow funkcj równoleglego ukladu poprawy jakoci EE oraz ­ w wypadku dolczenia zasobnika energii ­ ródla mocy ,,interwencyjnej" [5, 21, 49, 58, 63]. Podstawy dzialania sprzgu ,,back-to-back", przy zastosowaniu przeksztaltników napicia wyjaniaj wykresy wskazowe przedstawione na rysunku 13 oraz zalenoci (1)­(5).

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

175

Q1 P1 IS1 VS1 X1 AC-DC

Obwód poredniczcy DC IDC

Q2 DC-AC P2 X1 IS2 VF2 VX2 VS2

VDC1=VDC2 VX1

VF1

PDC IS1q IS1 1 IS1p

P1>0

1

VS2q VS1 VS1p IS2p VX1 VF1 IS2 IS2q 2 2

VF2 VX2 VS2p VS2

VS1q

P2<0

Rys. 13. Struktura i zasada dzialania sprzgu sieciowego ,,back-to-back" z poredniczcym obwodem napicia stalego

P 1

VF 1 VS1 sin 1 X1

(1)

Q1

VF1 VS1 V2 cos 1 F1 X1 X1

VF 2 VS 2 sin 2 X2

(2) (3) (4) (5)

P2

Q2

VF 2 VS 2 V2 cos 2 F 2 X2 X2

P PDC P2 1

gdzie:

PDC VDC1 I DC VDC2 I DC

W praktyce uklady ,,back-to-back" przylcza si najczciej do sieci przez transformatory [17, 23, 25]. Takie przylcza slu przede wszystkim do dopasowania napi przeksztaltnika AC-DC/DC-AC i sprzganych sieci. Uycie transformatorów jest równie wskazane w ukladach ,,back-to-back" dopasowanych napiciowo, np. przy zastosowaniu przeksztaltników wielopoziomowych [52, 68]. W tym wypadku, dziki separacji galwanicznej, zwiksza si bezpieczestwo pracy i s lagodzone stany awaryjne. Ponadto transformatory w zrównoleglonych ukladach ,,back-to-back" umoliwiaj popraw ksztaltu napicia na zaciskach sprzgu [23, 24]. Poniewa transformatory sieciowe (przylczeniowe) w istotny sposób zwikszaj gabaryty instalacji sprzgajcej, od niedawna s rozwijane nowe uklady sprzgów z separacj galwaniczn za pomoc przetwornicy DC-DC z transforma-

176

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

torem wysokiej czstotliwoci [29]. Ide takich ukladów, zwanych take zintegrowanymi transformatorami dystrybucyjnymi [65], ilustruje schemat przedstawiony na rysunku 14a. Kada faza sklada si z M jednakowych komórek przeksztaltnikowych AC-DC-AC-Tr-AC-DC-AC, polczonych szeregowo po stronie wyszego napicia, a równolegle po stronie niszego. Moliwe s równie i inne polczenia komórek, przy czym zawsze naley zapewni równomiern obcialno i równomierny podzial napi. Szacuje si, e zintegrowane transformatory dystrybucyjne duej mocy i redniego napicia, zapewniajc takie same moliwoci funkcjonalne jak typowe sprzgi ,,back-to-back", bd ponadto ok. 3-krotnie mniejsze od transformatorów konwencjonalnych (rys. 14b). Nowoczesne UE sluce do sprzgania sieci AC i DC oraz dopasowania ródel alternatywnych i zasobników energii ju dzisiaj umoliwiaj budow lokalnych mikrosieci jako czci ISEE [30, 31, 34, 35, 40, 48]. Na przyklad gdy przyjmie si struktur mikrosieci jak na rysunku 15, uzyska si du elastyczno integracji ródel rozproszonych i moliwo dzialania typu ,,plug-and-play" na kadym poziomie, bez koniecznoci stosowania rozwiza niestandardowych. Wiadomo przy tym, e najkorzystniejsze warunki pracy sieci zasilajcych (w tym mikrosieci) wystpuj w wypadku odbiorów spokojnych o wspólczynniku mocy 1 [63]. Std te takie odbiory s szczególnie podane dla odplywów o malej mocy zwarciowej, ograniczajcej zarazem moliwoci poprawy wspólczynnika przy uyciu sprzgu sieciowego (jeli jest stosowany i jeli moe spelnia tak funkcj).

1 a)

Faza A UWEJ IWEJ

2 b) Transformator zintegrowany (V3,4 m3)

Przeksztaltnik wyjciowy AC-AC

HF transformator Przeksztaltnik wejciowy AC-AC

Filtry LC

6 kV AC

Komórka M Komórka 2 Komórka 1

15 kV AC

HF Tr. 1:N

Transformator konwencjonalny (V10,0 m3)

UWYJ=UWEJ/(M·N)

IWYJ

Rys. 14. Zintegrowany transformator dystrybucyjny: a) schemat, b) porównanie z transformatorem konwencjonalnym

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

177

Sie publiczna

PCC

Elektroenergetyczna sie dystrybucyjna PCC

......... ......... Optymalizacja Synchronizacja Dyspozycja Zabezpiecznia Odbiór AC Sprzg AC Falownik Odbiór DC Sprzg DC Sprzg AC Falownik Odbiór DC Sprzg DC DC-DC lub AC-DC Generator rozproszony DC-DC lub AC-DC Generator rozproszony Sprzg AC Falownik .........

Poziom 3: Mikro-sie

.........

Optymalizacja Synchronizacja Dyspozycja Zabezpiecznia Odbiór AC Sprzg AC Falownik

Odbiór AC

Odbiór AC Sprzg AC Falownik Odbiór DC

Poziom 2: ródla skojarzone

Sprzg AC Falownik Odbiór DC

Mikroródla

Poziom 1: Mikro-ródla

DC-DC lub AC-DC Generator rozproszony

DC-DC lub AC-DC Generator rozproszony

DC-DC Zasobnik energii

DC-DC Zasobnik energii

Rys. 15. Struktura hierarchiczna mikrosieci hybrydowej ze sprzgami DC i AC

W celu poprawy wspólczynnika < 1 na odplywach lub bezporednio na odbiorach (obcieniu) instaluje si róne uklady kompensacyjno-filtracyjne. Sporód stosowanych rozwiza [62, 63] najbardziej uniwersalne s energetyczne filtry aktywne (APF ­ Active Power Filter) [2, 14, 46, 51, 62, 63], nazywane równie aktywnymi kontrolerami jakoci energii [49, 50]. Uklady APF, w zalenoci od algorytmu sterowania, umoliwiaj lczn lub selektywn kompensacj wszystkich niepodanych skladowych prdów lub/i napi. Na rysunku 16 przedstawiono dwa podstawowe uklady APF: równolegly (P-APF/Parallel-APF) i szeregowy (S-APF/Series-APF). Uklad P-APF (rys. 16a) jest przeznaczony glównie do kompensacji prdów, a uklad S-APF (rys. 16b) do kompensacji napi. Niekiedy, uklad S-AFP stosuje si równie do wymuszania podanego prdu, a uklad P-APF do wymuszania podanego napicia. Wybór ukladu APF i jego zastosowanie zale od charakteru obcienia i sieci oraz od wymogów dotyczcych jakoci EE [2]. W niektórych przypadkach, dla uzyskania wymaganej jakoci odbioru i dostawy EE, musz by stosowane szeregowo-równolegle uklady APF (rys. 17). Te uklady, nazywane równie UPQC (Unified Power Quality Conditioner) [2, 4, 18, 57], s na ogól budowane jako integralne polczenia P-APF i S-APF o wspólnym obwodzie DC. Wspólnego obwodu DC nie posiada jedynie uklad z rysunku 17c [66] ­ umoliwia to zastosowanie wielopoziomowych przeksztaltników kaskadowych DC-AC i AC-DC [52, 68].

178

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

ZS ES P-APF VDC

Obcienie

IS IC

IL

ZS ES

IS

VC

IL

S-APF DC-AC VDC DC-AC

Rys. 16. Podstawowe uklady APF: a) równolegly, b) szeregowy

a)

Obcienie

ZS IS ES

UC IC

IL

ZS IS ES IC=IS UC=UL VDC

IL

UC

Obcienie

1

b)

2

VDC DC-AC AC-DC PDC IC

AC-DC

Obcienie

IC=IS

a)1

b) 2

VDC DC-AC

PDC

UC=UL

ZS IS ES

UC

IL

Obcienie

c) 3

IS' IC+IS'

IC+IS' UC PDC=0

VDC1

DC-AC

AC-DC

VDC2

Rys. 17. Szeregowo-równolegle uklady APF: a) kompensacyjny, b) wymuszajcy, c) bez wspólnego obwodu DC

Pewn odmian filtrów aktywnych, poredni midzy S-APF i UPQC, s uklady dynamicznego odtwarzania napicia ­ DVR (Dynamic Voltage Restorer) [20, 21, 27, 33, 50, 60]. Ich ogóln budow i umiejscowienie w systemach dystrybucji ilustruje rysunek 18. W razie zaburze napicia zasilania uklad DVR bezzwlocznie odtwarza napicie wymagane, zabezpieczajc wlaciwe zasilanie odbiornika wraliwego, z wyjtkiem sytuacji przerw w zasilaniu oraz odchyle czstotliwoci. W szczególnoci DVR umoliwia kompensacj zapadów napicia. Ze wzgldu na wymóg generowania lub pobierania mocy czynnej w stosunkowo dlugim czasie (nawet kilka sekund) uklad DVR (w odrónieniu od S-APF) wyposaa si w dodatkowy zasobnik energii, dolczony do obwodu DC. Niekiedy,

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

179

w celu zmniejszenia zasobnika oraz w sytuacjach wystpowania dlugotrwalych zaburze, stosuje si równolegle przeksztaltniki AC-DC, podobnie jak w UPQC. Rónica dotyczy typu przeksztaltnika AC-DC, którym dla DVR moe by prostownik diodowy. Oczywiste jest przy tym, e uklad UPQC moe take dziala jako DVR, lecz takie rozwizanie jest zbyteczne i nieekonomiczne. Mniejszy zasobnik energii jest równie potrzebny w ukladzie midzyliniowego DVR (rys. 18b) ­ wynika to z moliwoci wymiany mocy czynnej midzy liniami.

a) 1

US

ZS

Linia

LINIOWY DVR UC

ZL

b) 2

US1 ZS1 Linia 1

MIDZYLINIOWY DVR UC1

DVR-1

ZL1

S-APF

Zasobnik energii

AC DC

S-APF

Odbiorniki wraliwe

AC DC Zasobnik energii

US2 ZS2

AC Linia 2

DVR-2

DC

S-APF ZL2 UC2

Rys. 18. Przykladowe uklady DVR: a) liniowy, b) midzyliniowy

4. WYBRANE AUTORSKIE ROZWIZANIA PROTOTYPOWE

Ze wzgldu na wiatow tendencj do rosncego udzialu nowoczesnych UE w SEE, zwizan ogólnie z deniem do: optymalnego wykorzystania istniejcej infrastruktury elektroenergetycznej, a przez to: zwikszenia bezpieczestwa dostawy i zapewnienia moliwie najwyszej jakoci EE, zmniejszenia strat EE i lepszego wykorzystania mocy zainstalowanych, oszczdnoci kopalnianych zasobów energetycznych, zmniejszenia liczby duych inwestycji energetycznych, zabezpieczenia technicznego otwartego rynku EE, zabezpieczenia zasilania nowych wraliwych technologii oraz z nowymi wyzwaniami w zakresie: rozwoju i upowszechnienia odnawialnych ródel EE, przeksztalcenia obecnych SEE w ,,inteligentne" SEE, w ostatnich kilku latach prowadzono prace naukowo-rozwojowe i wdroeniowe, których czciowymi rezultatami s prezentowane niej rozwizania prototypowe.

180

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

Te rozwizania, opracowane z udzialem autora, powstaly glównie z myl o aplikacjach w elektroenergetyce. 4.1. Falownik 4-poziomowy 6 kV/1MVA Prototyp falownika, którego schemat i widok zewntrzny oraz typowe przebiegi prdów i napi wyjciowych przedstawiono na rysunku 19, zbudowano w ramach projektu rozwojowego MNiSzW, realizowanego w Akademii Morskiej w Gdyni przy wsparciu Instytutu Elektrotechniki w Warszawie. W ukladzie zastosowano tranzystory IGBT typu FD200R65kF1-k i FZ200R65kF oraz sterowniki Concept, wyzwalane przez wiatlowód. Algorytm sterowania, zaimplementowany w sterowniku DSP, obejmuje modulacj wektorow oraz obslug zabezpiecze i komunikacji ze sterownikiem nadrzdnym ­ komputerem przemyslowym [69]. Z komputera zadawane s nadrzdne parametry sterowania, w tym tryb pracy. Falownik zaprojektowano w sposób umoliwiajcy jego wykorzystanie jako D-STATCOM (po dolczeniu dlawików sprzgajcych) oraz w ukladzie napdowym. Ze wzgldu na ograniczenia techniczne w miejscu bada eksperyment przy napiciu 6 kV przeprowadzono tylko w ukladzie napdowym. Uzyskane wyniki bada, potwierdzajce oczekiwany rezultat, ilustruj oscylogramy przedstawione na rysunku 20.

6p

C10

C1

Prostownik Diodowy 18-pulsowy

Falownik IGBT

Tr -20° L1,2,3 0° 20°

Faza A

Faza B

B

6p

C30

C3

Faza C

C

6p

C20

C2

A

iA

iB

uAB

Rys. 19. Schemat, konstrukcja oraz prdy i napicie na wyjciu prototypowego falownika 4-poziomowego 6 kV/1,0 MVA

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

181

1

a)

2

b)

3

c)

Rys. 20. Przebiegi prdu (góra) i napicia (dól) na zaciskach silnika 6 kV/0,5 kVA przy obcieniu 200 kW: a) w stanie ustalonym, b) podczas rozruchu, c) podczas hamowania

4.2. Quasi-Z Falownik do ródel niskonapiciowych Przedstawiony wstpny prototyp laboratoryjny quasi-Z falownika (rys. 21) powstal na podstawie prac prof. F.Z. Penga [3] i wlasnych [1, 61], obecnie kontynuowanych w Akademii Morskiej w Gdyni i Instytucie Elektrotechniki w ramach projektów badawczych MNiSZW. Falownik jest przeznaczony do odbiorów 3-fazowych nieduej mocy (1­3 kW), zasilanych z niskonapiciowych ródel DC, w szczególnoci z ogniw fotowoltaicznych. Jego zaletami s jednostopniowe przetwarzanie energii i wzgldnie wysoki wspólczynnik podwyszenia napicia DC oraz ­ w porównaniu ze znanymi wczeniej ukladami typu Z ­ cigly prd wejciowy. W dotychczasowych eksperymentach osignito podwyszenie napicia z 40 V DC do 180 V AC. Zgloszone w urzdzie patentowym nowe modyfikacje, w tym uklad typu T [1] oraz uklad kaskadowy quasi-Z, powinny umoliwi osignicie 400 V AC, co potwierdzily szczególowe badania symulacyjne. Opracowanym prototypem i wdroeniem jest zainteresowana jedna z firm krajowych z brany energoelektronicznej. a)

L1 IWEJ UWEJ C2 UDC UWYJ C1 L2

b)

c)

U(A-B)WYJ

d)

IWEJ UDC

IA(WYJ)

IB(WYJ)

IC(WYJ)

Rys. 21. Uklad 3-fazowego falownika typu quasi-Z: a) schemat, b) widok prototypu laboratoryjnego oraz c) i d) oscylogramy prdów i napi w charakterystycznych miejscach ukladu

182

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

4.3. Uklad APF duej mocy z filtrem sprzgajcym LCL Energetyczny filtr aktywny z filtrem sprzgajcym LCL zostal opracowany i uruchomiony w firmie Elmech przy wspóludziale pracowników Akademii Morskiej w Gdyni i wdroony w jednej z krajowych kopalni wgla kamiennego w ukladzie zasilania maszyny wycigowej (rys. 22). W tej aplikacji, ze wzgldu na specyfik polcze uzwoje transformatorów SN/nn, nie jest konieczna kompensacja 5. i 7. harmonicznej (ze wzgldu na polczenia uzwoje transformatorów SN/nn). Uwzgldnienie tej specyfiki pozwolilo ponad dwukrotnie ograniczy moc gabarytow kadego z czterech ukladów APF (do 300 kVA). Oprócz tego, w odrónieniu od wikszoci analogów krajowych i zagranicznych, zamiast dlawika zastosowano filtr sprzgajcy LCL. W ten sposób (oraz za pomoc nowatorskiego algorytmu sterowania [67]), udalo si osign jako kompensacji zdecydowanie wysz ni w innych znanych ukladach APF (rys. 23). W subiektywnej ocenie autora opracowany uklad mona zaliczy do najlepszych rozwiza tego typu na wiecie. a)

1

+DC

Filtr LCL L1 L2

C -DC

b)

2

GSTR

STR-M2 14 YAHKXy 32 m 240 mm2 T-12 (Yd5) IT-2 2 MVA 6/0,4 kV ITCS-2 TSC2 IAPF-2 2×APF2 IREC-2

REC2

Szw=160 MVA

Szw100 MVA

11 10 9 I6kV 280 m, 3×240 mm2 AKFt 9

M=

TS

T-11 (YNy0) 7 YAHKXy 38 m 240 mm2 2 MVA 6/0,4 kV

TSC1 ITCS-1 IT-1

2×APF1 IAPF-1 IREC-1 REC1

16 MVA 110/6 kV

Rys. 22. Energetyczny filtr aktywny z filtrem sprzgajcym LCL: a) konstrukcja, b) schemat polcze w ukladzie zasilania maszyny wycigowej w kopalni wgla kamiennego

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

183

a)

1

b)

Napicie sieci UT

2

Rys. 23. Wyniki bada porównawczych ukladu APF: a) z dlawikiem sprzgajcym L, b) z filtrem sprzgajcym LCL

4.4. Prostownik 18-pulsowy z dlawikami sprzonymi Prostowniki wielopulsowe z dlawikami sprzonymi s interesujc alternatyw dla ukladów transformatorowych w przypadku filtrów pojemnociowych, jeli nie jest wymagana separacja galwaniczna i s dopasowane poziomy napi. Ich glówn zalet jest niedua moc gabarytowa dlawików, parokrotnie mniejsza ni transformatorów. Potwierdzaj to prace prowadzone od dluszego czasu w Akademii Morskiej w Gdyni, obecnie w ramach projektu badawczego MNiSzW. Ich rezultatem jest prototyp laboratoryjny prostownika 18-pulsowego o mocy 20 kW z dodatkowym ukladem S-APF, przedstawiony na rysunku 24. Ten dodatkowy uklad, o mocy gabarytowej równej 8­10% mocy obcienia, znaczco poprawia jako prdów wejciowych, w szczególnoci w wypadku odksztalce i niesymetrii napicia zasilajcego. Ponadto uklad S-APF umoliwia stabilizacj napicia DC oraz pozwala wyeliminowa (konieczne w innym przypadku) due dlawiki sieciowe. Potwierdzaj to oscylogramy przedstawione na rysunku 25. Opracowany prostownik jest przeznaczony do zastosowania w rozproszonych SEE jako jednokierunkowy sprzg AC-DC.

Prd Sieci IT

Prd Kompensujcy IAPF

Prd Odbiornika IREC

184

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

DL2 A IS SAPF7-10% PL B

DL1

L1,2,3

UB

Odbiór

Tr

S-APF

S-APF

Rys. 24. Schemat i konstrukcja 18-pulsowego prostownika z dlawikami sprzonymi i dodatkowym ukladem S-APF

a)

b)

c)

Rys. 25. Przebiegi napicia UB na zaciskach wejciowych dlawika DL1 oraz przebiegi i widma prdów sieci IS w zalenoci od obwodu wlczanego midzy wzlami A-B: a) bez dodatkowego obwodu, b) dlawiki sieciowe, c) uklad S-APF

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

185

5. ZAKOCZENIE

Technologie energoelektroniczne pozwalaj na pelniejsze wykorzystanie istniejcych zasobów dystrybucyjnych i przesylowych SEE, z zachowaniem, a nawet popraw dotychczasowego stanu bezpieczestwa zasilania i jakoci EE. Istotne znaczenie ma przy tym skuteczno i szybko dzialania nowoczesnych UE, umoliwiajcych plynn i dynamiczn regulacj parametrów, nadajc za zmianami w odbiorach i w konfiguracji sieci zasilajcej. Wane jest równie i to, e takie UE mog zazwyczaj spelnia wiele rónych funkcji zwizanych z kondycjonowaniem EE. Wszystko to sprawia, e technologie energoelektroniczne przeznaczone dla SEE zdecydowanie góruj nad technologiami tradycyjnymi, opartymi na elementach biernych LC i mechanicznych urzdzeniach lcznikowosprzgajcych. Przedstawiony material w aden sposób nie wyczerpuje bardzo obszernej tematyki zastosowania UE w SEE. Ze wzgldu na ograniczon objto calkowicie pominito zagadnienia teoretyczne, w szczególnoci zwizane ze sterowaniem UE, a take wiele wanych rozwiza oraz koncepcji ukladowych i systemowych. Z wikszoci tych zagadnie mona zaznajomi si w cytowanej literaturze. Mimo to autor ma nadziej, e niniejszy artykul okae si inspirujcy do poszukiwa nowych efektywnych rozwiza w omawianym obszarze, oryginalnych w swoich koncepcjach i perspektywicznych ekonomicznie. Ma to szczególne znaczenie w powizaniu z dyrektyw Unii Europejskiej w sprawie efektywnoci wykorzystania energii [13], znajdujcej równie wyraz w przygotowywanej ustawie o efektywnoci energetycznej [64], w której, jako cel narodowy (rozdz. 2 ustawy) ustala si: a) zwikszenie oszczdnoci energii przez odbiorców kocowych, b) zwikszenie sprawnoci wytwarzania energii elektrycznej, c) zmniejszenie strat energii elektrycznej w przesyle i dystrybucji. Naley przy tym wzi pod uwag, e polityka pastwa w zakresie transformacji polskiej energetyki nie wychodzi tylko z kontynuacji scenariusza rozwoju scentralizowanych ródel energii elektrycznej, ale równie z perspektywy znaczcego rozwoju ródel rozproszonych, w tym odnawialnych [47]. W tym kontekcie mona si spodziewa, e wraz z rozwojem malej energetyki lokalnej oraz realizacj koncepcji zasilania rozproszonego uklady energoelektroniczne, spelniajce róne funkcje, stan si standardowym wyposaeniem nowoczesnych podstacji rozdzielczych.

LITERATURA

1. Adamowicz M., Strzelecka N., T-source inverter, Przegld Elektrotechniczny, 2009, 85, nr 10, s. 233­238. 2. Akagi H., Watanabe E.H., Aredes M., Instantaneus Power Theory and Applications to Power Conditioning, John Wiley&Sons 2007.

186

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

3. Anderson J., Peng F.Z., Four Quasi-Z-Source Inverters, PESC08 2008, s. 2743­2749. 4. Aredes M., Heumann K., Watanabe E., An universal active power line conditioner, IEEE Trans. on Power Delivery, 1998, vol. 13, no2, s. 1453­1460. 5. Benysek G., Improvement in the Quality of Delivery of Electrical Energy using PE Systems, Springer 2007. 6. Blaabjerg F., Chen Z. , Power Electronics for Modern Wind Turbines, Morgan&Claypool Publ., 2006. 7. Blaabjerg F., Chen Z., Kjaer S.B., Power electronics as efficiency interface in dispersed power generation systems, IEEE Trans. on Power Electron., 2004, vol. 19, no 5, s. 1184­1194. 8. Boldea I., Variable Speed Generators, Taylor & Francis Group, 2006. 9. Bose B.K., Power Electronics and Motor Drives: Advances and Trends, Academic Press, 2006. 10. Calais M., Myrzik J., Spooner T., Agelidis V.G. , Inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems ­ an overview, 2002, PESC'02, vol. 4, no 23­27, s. 1995­2000. 11. Carlsson A., The back to back converter ­ control and design, Lund Institute of Technology, 1998. 12. Dunlop J.P., Photovoltaic Systems, Amer Tech. Pub, 2009. 13. Dyrektywa 2006/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 5 kwietnia 2006 roku w sprawie efektywnoci kocowego wykorzystania energii i uslug energetycznych. 14. Emadi A., Nasiri A., Bekiarov S.B., Uninterruptible Power Supplies and Active Filters, CRC Press, 2005. 15. Emadi A. at al., Integrated Power Electronic Converters and Digital Control, CRC Press, 2009. 16. Enjeti P., Palma L., Todorocic M.H. , Power Conditioning Systems for Fuel Cell Applications, John Wiley&Sons, 2009. 17. Flourentzou N., Agelidis V.G., Demetriades G.D., VSC-Based HVDC Power Transmission Systems: An Overview, IEEE Trans. on Power Electronics, 2009, vol. 24, no 3, s. 592­602. 18. Fujta H., Akagi H., Unified power quality conditioner: the integration of series and shunt active filter, IEEE Trans. on Power Electronics, 1998, vol. 13, no 2, s. 315­322. 19. Gientkowski Z., Autonomiczne prdnice indukcyjne o wzbudzeniu kondensatorowym i przeksztaltnikowym, Wydawnictwa Uczelniane ATR w Bydgoszczy, 1997. 20. Ghosh A., Jindal A.K., Jodhi A., Design of a capacitor-supported dynamic voltage restorer (DVR) for unbalanced and distorted loads, IEEE Trans. Power Delivery, 2004, vol. 19, no 1, s. 405­413. 21. Ghosh A., Ledwich G. , Power Quality Enhancement using Custom Power Devices, Kluwer Academic Pub., 2002. 22. Guerrero M.A., at al., Supercapacitors: Alternative Energy Storage Systems, Przegld Elektrotechniczny, 2009, vol. 85, nr 10, s. 188­195. 23. Hagiwara M., Fujita H. , A ka gi H ., Performance of a self-commutated BTB HVDC link system under a single-line-to-ground fault condition, IEEE Trans. on Power Electronics, 2003, vol. 18, no 1, s. 278­285. 24. Hagiwara M., Wada K., Fujita H., Akagi H., Dynamic Behavior of a 21-Level BTB-Based PowerFlow Controller Under Single-Line-to-Ground Fault Conditions, IEEE Trans. on Ind. Applications, 2007, vol. 43, no 5, s. 1379­1387. 25. Han B.M., Baek, S.T., Bae, B.Y., Choi, J.Y., Back-to-back HVDC system using a 36-step voltage source converter, IEE Proc. Generation, Transmission and Distribution, 2006, vol. 153, no 6, 677­683. 26. Heier S., Waddington R., Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, WileyBlackwellm, 2006.

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

187

27. Huang C.J., Huang S.J., Pai F.S., Design of Dynamic Voltage Restorer with Disturbance-Filtering Enhancement, IEEE Trans. Power Electronics, 2003, vol. 18, no 5, s. 1202­1210. 28. Huang Y., Shen M., Peng F.Z., Wang J. , Z-Source Inverter for Residential Photovoltaic Systems, IEEE Trans. on Power Electronics, 2006, vol. 21, no 6, s. 176­182. 29. Inoue S., Akagi H., A Bi-Directional Isolated DC-DC Converter as a Core Circuit of the NextGeneration Medium-Voltage Power Conversion System, PESC06, 2006, PS1-48, s. 314­320. 30. Ise T., Advantages and Circuit Configuration of a DC Microgrid, Symposium on Microgrids, Montreal 2006. 31. Ito Y., Zhongqing Y., Akagi H. , DC microgrid based distribution power generation system, IPEMC'04, 2004, vol. 3, s. 1740­1745. 32. Januszewski S., wiatek H., Zymmer K., Przyrzdy energoelektroniczne i ich zastosowania, Wydawnictwo Ksikowe Instytutu Elektrotechniki, Warszawa 2008. 33. Jauch T., Kara A, Rahmani M., Westermann D., Power quality ensured by dynamic voltage correction, ABB Rev., 1998, vol. 4. 34. Jiang Z., Yu H., Hybrid DC- and AC-Linked Microgrids: Towards Integration of Distributed Energy Resources, IEEE Energy 2030 Conf., Atlanta 2008. 35. Kakigano H. a t a l ., Fundamental characteristics of DC microgrid for residential houses with cogeneration system in each house, PES General Meeting ­ Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008. 36. Kawamura A., Pavlovsky M., Tsuruta Y., State-of-the-Art. High Power Density and High Efficiency DC-DC Chopper Circuits fot HEV and FCEV Applications, Przegld Elektrotechniczny, 2008, 84, nr 9, s. 1­13. 37. Kazimierczuk M . K ., High-Frequency Magnetic Components, John Wiley&Sons, 2009. 38. Kazimierkowski M., Krishnan R., Blaabjerg F., Control in Power Electronics, Academic Press, 2002. 39. Lai J.S. , Power conditioning circuit topologies, IEEE Ind. Electronics Magazine, 2009, vol. 3, no 2, s. 24­34. 40. Lasseter, R., Paigi P. , Microgrid: a conceptual solution, PESC'04, 2004, vol. 6, s. 4285­4290. 41. Liu W., Dirker J., Wyk van J.D., Power Density Improvement in Integrated Electromagnetic Passive Modules with Embedded Heat Extractors, IEEE Trans. on Power Electronics, 2008, vol. 23, no 6, s. 3142­3150. 42. Luo F.L, Essential DC/DC Converters, CRC Press, 2006. 43. Lubony Z. , Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym, Wydawnictwa NaukowoTechniczne, 2006. 44. Machowski J. , Elastyczne systemy przesylowe ­ FACTS, Przegld Elektrotechniczny, 2002, 78, nr 7, s. 189­196. 45. Massoud S., Wollenberg B. , Toward a smart grid: power delivery for the 21st century, IEEE Power and Energy Magazine, 2005, 3, no5, s. 34­41. 46. Piróg S., Energoelektronika: Uklady o komutacji sieciowej i o komutacji twardej, Komitet Elektrotechniki PAN, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2006. 47. Potencjal efektywnoci energetycznej i redukcji emisji w wybranych grupach uytkowania energii. Droga naprzód do realizacji pakietu klimatyczno-energetycznego, Raport Polskiego Klubu Ekologicznego Okrgu Górnolskiego w Katowicach we wspólpracy z Fundacja na Rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii, Katowice 2009. 48. Power Electronics Handbook, ed. M.H. Rashid, Academic Press 2006. 49. Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks, Strzelecki R., Benysek G. (eds), Springer, 2008.

188

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzie 2009

50. Power Quality. Mitigation Technologies in a Distributed Environment, ed. A. Moreno-Muñoz, Springer, 2007. 51. Quang N.P., Vector Control of Three-Phase AC Machines: System Development in the Practice, Springer, 2008. 52. Rodriguez J., Lai J.S., Peng F.Z., Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications, IEEE Trans. on Ind. on Electronics, 2002, vol. 49, no 4, s. 724­738. 53. Simões M.G., Renewable Energy Systems. Design and Analysis with Induction Generators, CRC Press, 2004. 54. Song Y.H., Johns A.T. , Flexible AC Transmission Systems (FACTS), IEE Power and Energy Series 30, The Institution of Electrical Engineering, 1999. 55. Sood V.K., HVDC and FACTS Controllers: Applications of Static Converters in Power Systems, Springer, 2004. 56. Sourkounis C., Ni B., Richter F., Comparison of Energy Storage Management Methods to Smooth Power Fluctuations of Wind Parks, Przegld Elektrotechniczny, 2009, vol. 85, nr 10, s. 196­200. 57. Strzelecki R., Wlaciwoci trójfazowego ukladu UPQC ­ modelowanie i weryfikacja eksperymentalna, Przegld Elektrotechniczny, 2005, 81, nr 11, s. 295­298. 58. Strzelecki R., Benysek G., Dbicki H. , Uniwersalny wielofunkcyjny sprzg midzysystemowy, Przegld Elektrotechniczny, 2004, 80, nr 3, s. 226­232. 59. Strzelecki R., Benysek G., Noculak A., Wykorzystanie urzdze energoelektronicznych w systemie elektroenergetycznym, Przegld Elektrotechniczny, 2003, 79, nr 2, s. 41­49. 60. Strzelecki R., Benysek G., Wojciechowski D., Uklady dynamicznego odtwarzania napicia. Zastosowanie i wlaciwoci, Przegld Elektrotechniczny, 2008, 84, nr 2, s. 33­38. 61. Strzelecki R., Bury W., Adamowicz M., Strzelecka N. , New Alternative Passive Networks to Improve the Range Output Voltage Regulation of the PWM Inverters, APEC'09, Washington 2009. 62. Strzelecki R., Supronowicz H., F iltracja harmonicznych w sieciach zasilajcych prdu przemiennego, Komitet Elektrotechniki PAN, Adam Marszalek, wyd.1/2, 1998/1999. 63. Strzelecki R., Supronowicz H. , Wspólczynnik mocy w systemach zasilania prdu przemiennego i metody jego poprawy, Oficyna Wyd. Pol. Warszawskiej, 2000. 64. Ustawa o efektywnoci energetycznej, Projekt ­ wersja 8, Warszawa 15.05.2009. 65. Wang J., Huang A.Q., Sung W., Liu Y., Baliga B.J. , Smart Grid technologies, IEEE Industrial Electronics Magazine, 2009, vol. 3, no 2, s. 16­23. 66. Wang J., Peng F.Z., Unified Power Flow Controller Using the Cascade Multilevel Inverter, IEEE Trans. on Power Electronics, 2004, vol. 19, no 4, s. 1077­1084. 67. Wojciechowski D., Novel Controller for 3-Phase Active Power Filter with LCL coupling circuit, Przegld Elektrotechniczny, 2009, 85, nr 10, s. 208­112. 68. Wu B., High-Power Converters and AC Drives, John Wiley&Sons, 2006. 69. Zymmer K., Zakrzewski Z., Strzelecki R., Szczepankowski P., Czteropoziomowy falownik napiecia 6 kV typu ,,Diode clamped". Budowa i sterowanie, Przegld Elektrotechniczny, 2008, 84, nr 4, s. 4­9.

R. Strzelecki, Technologie energoelektroniczne w nowoczesnych systemach...

189

POWER ELECTRONICS TECHNOLOGY IN MODERN DISTRIBUTION ELECTRICAL ENERGY SYSTEMS

Summary

The paper discusses the most important areas of application of power electronics arrangements in electrical power systems; especially in distribution systems. Presented examples demonstrate both the need and the purpose of further research and its applications in those fields, as well as they indicate direction of the future research, with special consideration given to research required in Poland. Proposed practical solutions of power electronics arrangements either dedicated or capable of adaptation to the distribution systems illustrate the ability to use potential of Polish national research-development units.

Information

Beata Borkowska, Halina Kolenda

26 pages

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

958182