2.6 Energia układu szeregowego
2.6.5 Sposoby magazynowanie energii
Rola magazynu energii polega na zwiększeniu możliwości układu szeregowego w dziedzinie kompensacji zapadów. Z tego względu powinien posiadać dużą gęstość mocy na jednostkę masy, zdolność do szybkiego ładowania i rozładowania. Przegląd układów gromadzenia energii w zastosowaniach energoelektronicznych przedstawiono skrótowo w [132]. W zastosowaniu do układów szeregowych spotyka się następujące rozwią-zania:
Bateria kondensatorów
Jest najczęściej wykorzystywanym sposobem gromadzenia energii. Zaletą kondensatorów jest duża do-stępna moc chwilowa, oraz duża gęstość mocy na jednostkę masy – powyżej 1 kW/kg. Obecnie stosowane kondensatory ceramiczne mogą pracować przy napięciu stałym do 1 kV. W układach szeregowych baterie kondensatorów są najczęściej wykorzystywanym sposobem gromadzenia energii. Opublikowane rozwiązania
opisują zastosowanie kondensatorów o łącznej pojemności od 2 mF do 16 mF [113] przy znamionowym napięciu strony DC około 600 V. Energia zgromadzona w bateriach waha się od 320 J [113] do 800 kJ [170].
Superkondensatory
Superkondensatory (supercapacitors, ultracapacitors) stanowią potencjalną alternatywę dla kondensato-rów ze względu na bardzo dużą pojemność (od 50 F do nawet 5000 F), oraz dużą wartość zgromadzonej energii na jednostkę masy (typowo 500-2000 W/kg, a nawet 6 kW/kg). Ich sprawność (mierzona w cyklu ładowanie-rozładowanie) waha się w granicach 90% – 95% [26]. Wymagają jednak pracy przy niskim napięciu – typowo od 2.5 V do 5.5 V na pojedynczy element, co oznacza konieczność zastosowania układu dopasowują-cego, albo łączenia w szereg jednostek obniżając jednocześnie znamionowe napięcie strony DC falownika. W pracy [15] przedstawiono jednofazowy układ szeregowy zbudowany w oparciu o wielopoziomowy kaskadowy przekształtnik, gdzie energia była zgromadzona w superkondensatorze o pojemności 67 F i napięciu znamio-nowym 42 V. Układ charakteryzuje się brakiem transformatora dodawczego. Superkondensatory rozważane są również w pracy [162] jako alternatywa dla akumulatorów.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe
Akumulatory są tańsze niż kondensatory w przeliczeniu na kJ zgromadzonej energii, jednak charakte-ryzują się wysoką impedancją wewnętrzną i skomplikowaną dynamiką rozładowania [174, 171]. Najczęściej stosowane są akumulatory kwasowo-ołowiowe, w niektórych rozwiązaniach wykorzystano ogniwa niklowo-me-talowo-wodorkowe i niklowo-jonowe. Te ostatnie są jednak rzadko stosowane ze względu na cenę i bardziej nadają się do układów podtrzymujących napięcie, jak UPS [26].
Akumulatory charakteryzują się mniejszą gęstością mocy niż kondensatory – rzędu 200 do 400 W/kg, wykazują w zamian większą gęstość zgromadzonej energii: 20 do 36 Wh/kg. Mają stosunkowo małe napięcie pracy – ok 12 V, oraz wymagają specjalnej procedury ładowania. Konieczne jest więc zastosowanie układu przekształtnika w obwodzie pośredniczącym DC.
Ponieważ akumulatory są układami elektrochemicznymi, mają również negatywny wpływ na środowisko naturalne, oraz wymagają okresowej obsługi. Te właściwości powodują, że w układach szeregowych akumula-tory są rzadko stosowane. Przykładowy opis zastosowania znajduje się w [174], gdzie zastosowano akumulator z trzema ogniwami o łącznej pojemności 80 Ah. Również w pracy [162] przedstawiono jednofazowy układ szeregowy oparty o kaskadowy przekształtnik wielopoziomowy, w którym każdy ze składowych elementów zasilany był z dwóch akumulatorów, każdy o pojemności 105 Ah i napięciu 12 V.
Cewki nadprzewodzące
Cewki nadprzewodzące – (superconducting magnetic energy storage, SMES) są to urządzenia zachowujące energię elektryczną w polu magnetycznym wytworzonym przez prąd stały płynący w nadprzewodzącym uzwojeniu. Wymagają specjalnej obudowy utrzymującej niską temperaturę cewki i rdzenia, oraz układu chłodzącego [132]. Oznacza to, że temperatura pracy cewki jest efektem pewnego kompromisu pomiędzy ceną i wymaganiami. Cewki z nadprzewodnika niskotemperaturowego są dostępne obecnie, natomiast cewki z nadprzewodnika wysokotemperaturowego są ciągle w fazie eksperymentalnej.
Cewki charakteryzują się zwartą konstrukcją, wysoką żywotnością i natychmiastową dostępnością mocy. Ich wadą jest duży koszt jednostkowy. Koszt układów energoelektronicznych z SMES można podzielić na dwie części:
1. Koszt układu cewki, na który składają się koszty wykonania: rdzenia, nadprzewodnika, obudowy, układu chłodzącego, układu zabezpieczeń i sterownika
2. Koszt układu energoelektronicznego, czyli głównie koszt przekształtnika
W układach szeregowych dużych mocy koszty wykonania przekształtnika mogą być dużo większe niż koszt układu SMES i w tych układach stosowanie SMES staje się bardziej ekonomiczne.
Zastosowanie SMES jako magazyn energii dla układów szeregowych opisano w [176], gdzie wykorzystano SMES o indukcyjności 200 mH i prądzie znamionowym 1000 A, co pozwala na zgromadzenie energii 100 kJ. Cewki nadprzewodzące rozważane są również w [129, 130].
2.6. ENERGIA UKŁADU SZEREGOWEGO Rozwiązania elektromechaniczne
Rozwiązania elektromechaniczne opierają się o wykorzystanie koła zamachowego, gdzie energia groma-dzona jest w postaci energii kinetycznej obracającej się masy [132]. Wielkość tej energii zależy od momentu bezwładności i prędkości obrotowej koła. Stosowane obecnie układy można podzielić na dwie grupy:
1. Układy wolnoobrotowe – wykorzystują koła o prędkościach wirowania ok 10 000 obr./min i stosunkowo dużej masie (duży moment bezwładności)
2. Układy szybkoobrotowe – prędkość koła jest rzędu 100 000 obr./min, samo koło ma niewielką masę. Układy drugiej grupy dają w efekcie układy gabarytowo mniejsze, umożliwiające konstrukcję modułową. Ich wadą są duże straty energii w wyniku oporów tarcia powietrza, możliwe do wyeliminowania jedynie przez zastosowanie obudowy próżniowej. Takie rozwiązanie zwiększa jednak koszt ogólny całego układu. Do całkowitych kosztów należy doliczyć jeszcze koszt silnika wraz z przekształtnikiem zapewniającym właściwe warunki pracy.
Układy szeregowe wykorzystujące koło zamachowe jako magazyn energii rozważane są w [136, 167]. Brak publikacji opisujących zastosowanie tych układów w środowisku przemysłowym.
Sterowanie układem szeregowym
3.1 Wstęp
Układ sterowania ma za zadanie wytworzenie takiej wartości napięcia dodawczego ud(t), aby spełniony
był zadany cel regulacji. Cel ten określony jest rodzajem kompensowanych zaburzeń i określa funkcję, jaką pełni układ szeregowy w sieci. W szczególności wyróżnia się:
1. Kompensacja zapadów i wzrostów napięcia – dynamiczna stabilizacja napięcia. 2. Kompensacja niepożądanych harmonicznych napięcia zasilania – filtracja napięcia. 3. Stabilizacja i symetryzacja napięcia w stanie ustalonym – stabilizacja statyczna. 4. Blokowanie przepływu wyższych harmonicznych prądu odbiornika do sieci zasilającej.
Układ szeregowy może realizować jeden, lub kilka przedstawionych powyżej celów. Działanie układu stero-wania można podzielić na dwa etapy:
1. Wyznaczenie wielkości wzorcowej w oparciu o przyjętą strategię kompensacji – obliczenie wartości napięcia odbiornika (lub dodawczego).
2. Zastosowanie algorytmu sterowania i wyznaczenie wzorca łączeniowego dla łączników falownika. Jeżeli układ szeregowy nie posiada dodatkowego prostownika do ładowania kondensatorów, stabilizacja napięcia w obwodzie pośredniczącym DC powinna być zapewniona przez odpowiednie sterowanie układem szeregowym.
W większości praktycznie wykonanych układów celem jest kompensacja zapadów napięcia. Takiego przy-padku dotyczy również większość publikacji w literaturze przedmiotu. Rozpatrywane są następujące rodzaje sterowania:
1. Sterowanie w układzie naturalnym – metoda polegająca na operowaniu wartościami chwilowymi na-pięć i prądów [168, 156, 70].
2. Sterowanie w wirującym układzie współrzędnych – polega na zastosowaniu przekształcenia wszyst-kich wielkości chwilowych do wirującego układu odniesienia i wykonywanie obliczeń w tym układzie. Realizowane są struktury sterowana analogiczne do tych w układzie naturalnym – z pętlami sprzę-żeń od różnych sygnałów [64, 52, 85, 114, 111]. Możliwe są również bardziej zaawansowane struktury regulacji: z separacją składowych symetrycznych [76, 32, 33, 139, 151, 138], bądź regulator wekto-rowy kaskadowy [8, 7, 10, 11], także z separacją składowych symetrycznych [11, 9, 23, 24]. Częścią regulatora jest pętla PLL, która ze względu na warunki pracy układu szeregowego wymaga osobnych rozważań.
3. Regulatory ślizgowe – wykorzystują teorię sterowania ślizgowego (ang. sliding mode control) do ste-rowania łącznikami falownika tak, aby napięcie dodawcze podążało z jak najmniejszym błędem za napięciem wzorcowym [56, 57, 121, 75]. Podstawowym problemem do rozwiązania jest zapewnienie stałej częstotliwości łączeń (bądź wąskiego pasma częstotliwości).
4. Regulatory wektorowe – wykorzystują koncepcję napięciowych wektorów przestrzennych analogicznie do układów sterowania stosowanych w napędzie elektrycznym. W praktycznych realizacjach wykony-wane jest sterowanie w układzie otwartym [174, 172, 165, 109].
5. Regulatory optymalizujące – minimalizują w każdym okresie próbkowania określoną funkcję celu, dzięki czemu obliczone napięcie jest optymalne ze względu na wybrane kryterium [79, 55]. Podstawową wadą tych regulatorów jest konieczność użycia mikroprocesorów o mocy obliczeniowej wystarczającej do przeprowadzenia procedury optymalizacji w odpowiednio krótkim czasie.