primjena energetske elektronike na obnovljive izvore energije(1)

7/23/2019 Primjena Energetske Elektronike Na Obnovljive Izvore Energije(1)

1/80

SEMINARSKI RAD

Primjena energetske elektronike na

obnovljive izvore energije


2/80

1

1. Uvod u energestku elektroniku

1.1. Premet prouavanja energetske elektronike

1.2. Pojela ureaja energetske elektronike

1.3. Primjena ureaja energetske elektronike

1.4. Elektrina energetska pretvorba

1.4.1. Ispravljai

1.4.2. Invertori

1.4.3. Istosmjerni pretvarai

1.4.4. Izmjenini pretvarai

1.4.4.1. Pretvarai napona

1.4.4.2. Pretvarai frekvencije

2.Vjetroelektrane

2.1.1. Pretvarai u sistemima pretvaranja energije vjetra

2.1.2. Regulatori izmjeninog napona ( tzv. soft-starteri)

2.1.3. Uzlazni istosmjerni pretvara

2.1.4. Jednokanalni uzlazni istosmjerni pretvara

2.1.5. Dvokanalni uzlazni istosmjerni pretvara

2.1.6. Viekanalni uzlazni istosmjerni pretvara2.1.7. Sinusna irinsko-impulsna modulacija

2.1.8. IM strujni invertor

2.2 Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom promjenjive brzine

2.2.1. Konfiguracija sa back-to-back konvertorima punog

kapaciteta

2.2.2. Konfiguracija sa IM strujnim konvertorima

2.2.3. Konfiguracija sa ionim ispravljaem i istosmjernim

konvertorima

2.2.4. Konfiguracije sa distribuiranim konvertorima za

vienamotne generatore

2.2.5. Konfiguracija sa vienamotnim generatorima

2.2.6. Konfiguracija sa vie generatora


3/80

2

2.2.7. Vjetrogenerator promjenjive brzine sa sinhronim

generatorom

2.3. Regulacija sinhronih generatora

2.3.1. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom i back-to-back

konvertorom

2.3.2. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom sa cilinrinim

rotor nultom te regulacijom optimalnog obrtnog momenta i

regulacijome struje d-ose

2.3.3. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom sa istaknutim

polovima sa MTPA i regulacijom brzine vrtnje rotora

2.3.4. Kontrola pradenja take maksimalne snage na strani mree2.3.4. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom i uzlaznim

istosmjernim konvertorom

2.3.6. Regulacija reaktivne snage vjetrogeneratora sa sinhronim

generatorom

2.3.6.1. Analiza reaktivne snage vjetrogeneratora sa sinhronim

generatorom

2.3.6.2. Vjetrogeneratori, koji koriste strujne konvertore saregulacijom reaktivne snage

3.Solarni kolektori

3.1 Konfiguracija PV sistema

3.2 Topologija sistema koji obuhvata elemente energetske

elektronike kod solarnih kolektora

3.2.1 Jednofaznijednostepeni PV sistemi

3.2.2 Jednofaznivisestepeni PV sistemi3.3.3 Trofazni PV sistemi

3.3 Uopstena struktura sistema energetske elektronike i

sistem kontrole kod solarnih kolektora

4.Mikroturbine

4.1. Konfiguracija sistema mikroturbine (struktura sistema

mikroturbine)


4/80

3

4.2 Topologija sistema koji obuhvata elemente energetske

elektronike kod mikroturbina

4.3 Uoptena struktura sistema energetske elektronike i

sistem kontrole mikroturbina

5.Gorive delija

5.1. Konfiguracija sistema gorivih delija

5.2. Topologija sistema koji obuhvata elemente energetske

elektronike ko gorivih delija

5.3. Kaskadni DC-DC i DC-AC konvertori (istosmjerna veza)

5.4. Kaskadni DC-AC i AC-AC konvertori (visoko-frekventna veza)

5.5. Uoptena struktura sistema energetske elektronike i

sistem kontrole gorivih delija


5/80

4

1. Uvod u energetsku elektroniku

Energetska elektronika se, prema preporuci IEC-a definira kao: Power elekctronics is that

part of electronics which deals with power technology; dakle kao dio elektronike koji ima

primjenu u elektroenergetici.

Opdenitost efinicije zahtjeva i opusnko tumaenje. Naime, primjenjena elektronika se

moe poijeliti na io koji se bavi ureajima male snage i io koji se bavi ureajima velike

snage.

Ureaji male snage se koriste npr. u informacionim ijelovima sistema za automatsko

upravljanje i regulaciju (pojaala, brojai, pretvarai), a osnovna pitanja koja se pomodu njih

rijeavaju su amplituno-frekventna i fazno-frekventna karakteristika, uslovi stabilnosti itd.

Ureaji velike snage se koriste npr. u sistemima za regulaciju elektromotornih pogona,

sistemima uzbue asinhronih maina ili u sistemima za napajanje elektrinom energijom

(ispravljai za napajanje elektroliza, usmjerivai za napajanje istosmjernih elektromotornih

pogona). Pomodu njih se rjeavaju osnovna pitanja kao to su energetske karakteristike

(faktor korisnog ijelovanja, faktor snage), specifina teina, specifini volumen it.

Poto se ureaji velike snage koriste za postizanje oreenih energetskih ciljeva,ovaj io

primjenjene elektronike se naziva ENERGETSKA ELEKTRONIKA.

Energetska elektronika u irem smislu obuhvata jos i elektronike ureaje za neposreno

pretvaranje toplinske, nuklearne i svjetlosne energije u elektrinu.

1.1. Premet prouavanja energetske elektronike

Energetska elektronika bavi se prouavanjem:

- sklopova s elektrinim ventilima;- komponenata sklopova s elektrinim ventilima (elektrini energetski ventili,

poluvoiki energetski ventili, prigunice i transformatori, konenzatori, osigurai idr.) ;

- ureaja (istosmjerni i izmjenini prekiai, pretvarai);-

komponenata ureaja (elektroniki sklopovi, regulacioni krugovi, krugovi zaupravljanje, signalizaciju, mjerenje i zatitu, ostale komponente);

- koritenjasklopova i ureaja u pogonima (uticaj na izvore elektrine energije, uticajna potroae, ostali problemi elektromagnetske kompatibilnosti).


6/80

5

1.2. Pojela ureaja energetske elektronike

Elektrini sistemi se mogu poijeliti na istosmjerne i izmjenine. Elektrine ureaje

meusobno povezuju ureaji energetske elektronike. Na slici 1.2.1. prikazana je podijela

ureaja energetske elektronike.

Slika 1.2.1. Pojela ureaja energetske elektronike

Kaa pretvara moe raiti i kao ispravlja i kao invertor (izmjenjiva), nazivamo ga

usmjerivaem. Ako istosmjerni ili izmjenini pretvara vri samo funkciju poeavanja

intenziteta toka energije, nazivamo ga poeivaem.

Blok ema ureaja energetske elektronike prikazana je na sl. 1.2.2.

Slika 1.2.2. Blok ema ureaja energetske elektronike

Ureaj se sastoji iz va ijela, energetskog i informacionog, koji ine nerazvojivu cjelinu. U

energetski io ureaja energetske elektronike (kao izvrni organ) uvodi se energija, a na

njegov izlaz spojeni su potroai. U energetskom ijelu obavljaju se energetske

transformacije. On se sastoji o neupravljivih i upravljivih poluvoikih ventila,konenzatora, prigunica, transformatora, osiguraa i rugih uinskih elemenata.


7/80

6

U informacioni io olaze informacije o eljenim izlaznim veliinama ureaja. Na osnovu

obraenih informacija iz energetskog ijela, informacioni io upravlja raom energetskog

dijela. Informacioni dio se uglavnom sastoji od mjernih pretvaraa i elektronikih analognih i

digitalnih sklopova.

Ova va ijela ine nerazvojnu cjelinu i pruaju velike mogudnosti u pogleu elektronikog

upravljanja tokom elektrine energije i elektronikog preoblikovanja parametara elektrine

energije za kojeje karakteristino a se ostvaruju sa malim gubicima.

1.3.Primjena ureaja energetske elektronike

Zbog toga to se u ureajima energetske elektronike sve manipulacije s elektrinom

energijom odvijaju s malo gubitaka i s vrlo dobrom dinamikom, energetska elektronika je

ula u niz ljuskih jelatnosti za ije je ovijanje potrebna elektrina energija.

Te djelatnosti su:

- procesna inustrija (istosmjerni elektromotorni pogoni, izmjenini elektromotorni

pogoni, elektrotermija, elektrohemija);

- proizvodnja,prenos i istribucija elektrine energije (uzbua asinhronih generatora,

pokretanje velikih sinhronih generatora, pomodna oprema u termoelektranama i

hiroelektranama, istosmjerni veleprenosi, kompenzacija jalove snage, povezivanje razliitih

izvora elektrine energije, ukljuenja i iskljuenja elektrinih krugova i mrea);

- besprekino napajanje elektrinom energijom (istosmjerno napajanje, izmjenino

napajanje);

- transport (napajanje istosmjernim naponom eljeznike, graske i runike vue,

pretvaranje i upravljanje elektrinom energijom za bilo koji oblik elektrinog pogona vozila,

napajanje izalica i konvejera, moernizacija elektrinog sistema vozila u smislu smanjenja

imenzija i teine i povedanja pouzanosti,napajanje elektromagneta za dizanje tereta);

-kudanski aparati i priruni alati (mali regulirani izmjenini elektromotorni pogoni,

grijanje i rasvjeta);

- specijalni civilni i vojni objekti (komunikacije, ureaji za istraivanje u fizici, oruja).


8/80

7

Slika 1.3. Proizvonja, prijenos, istribucija, razioba i potronja elektrine energije

Na slici 1.3. prikazana je blokovska ema na kojoj se vii proces proizvonje, prijenosa,

istribucije i potronje elektrine energije na kopnu. Proizvonja elektrine energije poinje

u inirektnom ili irektnom pretvarau energije. Primarna energija usklaitena u ugljenu,

nafti, voi, izotopima ili suncu se u ovim pretvaraima pretvara u elektrinu

energiju.

Inirektni pretvarai generiraju elektriku energiju na nain a se primarni oblik energije

pretvori u mehaniku energiju, a potom se ta mehanika energija u generatoru pretvara u

elektrinu.

S ruge pak strane irektni pretvarai direktno pretvaraju primarni oblik energije u

elektrinu energiju.

Napon generatora elektrine struje (inirektnog pretvaraa energije) je neovoljan za

prijenos energije na velike udaljenosti. Stoga je potrebno napon generatora transformirati navedi napon sa 10kV na 400 kV izmjenine struje, i s tako visokim naponima dalekovodima

prenositi elektrinu energiju na velike ualjenosti. Na mjestu gje se namjerava potroiti

elektrina energija, izmjenini napon se ponovo transformira na nie napone te istributivna

mrea tako ovu energiju istribuira troilima. To je normalni tok elektrine energije. Ureaji

energetske elektronike su sarani u izmjeninom generatoru (tiristorski ispravljai struje

uzbue generatora), takoer u pretvaraima za pogon pojeinih troila (regulatori brzine

elektromotora, regulatori rasvjete i slino), te u inamikim kompenzatorima jalove snage

koji se mogu javiti na strani potronje.


9/80

8

U sluaju a na izmjeninu mreu elimo prikljuiti irektni pretvara energije koji u pravilu

generira istosmjernu elektrinu energiju, potrebno je koristiti jo jean ureaj energetske

elektronike koji pretvara istosmjernu u izmjeninu energiju, a koji se zove izmjenjiva ili

invertor.

1.4. Elektrina energetska pretvorba

Elektrika energetska pretvorba ovija se u ureajima energetske elektronike koji mijenjaju

jean ili vie parametara elektrine energije bez znaajnog gubitka snage upotrebom

elektronikih komponenti.

Elektroniki pretvarai spajaju va, po nekom o parametara elektrine energije, razliita

elektrina sistema. Funkcije pretvaraa mogu se objasniti slikom 1.4.

Slika 1.4. Funkcija pretvaraa

Izmjenina i istosmjerna pretvorba moe biti direktna ili indirektna. Ulazna istosmjerna ili

izmjenina energija se u irektnim pretvaraima omah pretvara u ogovarajudi oblik

energije na izlazu pretvaraa. Ko indirektnog pretvaranja se vri vostruka pretvorba ulazne

energije a bi se na kraju obio eljeni oblik energije.

Direktnii pretvarai koji pretvaraju izmjeninu u istosmjernu energiju nazivaju se ispravljai

(AC/DC pretvarai). Direktni pretvarai koji pretvaraju istosmjernu energiju ponovo u

istosmjernu energiju ( ali promijenjenih elektrinih parametara, npr. napona ) nazivaju se

istosmjerno- istosmjerni pretvarai ili DC /DC pretvarai. Direktni pretvarai koji pretvaraju

istosmjernu energiju u izmjeninu energiju nazivaju se izmjenjivai ili invertori (DC /AC

pretvarai). Direktni pretvarai koji pretvaraju izmjeninu energiju u izmjeninu energiju

nazivaju se izmjenini pretvarai (AC /AC pretvarai). Izmjenino-izmjenina pretvorba se u

indirektnom pretvarau vri tako a se prvo ispravljaem izmjenina struja pretvori uistosmjernu, a zatim istosmjerna struja u izmjeninu. Takoer je mogude obaviti i


10/80

9

istosmjerno-istosmjernu pretvorbu u indirektnom pretvarau na nain a se ogovarajudi

istosmjerni napon izmjenjivaem prvo pretvori u izmjenini, a zatim ispravljaem vrati u

ogovarajudi istosmjerni. Energetska elektronika ne izuava indirektne pretvarae koji se

sastoje o motora i generatora, nego iskljuivo o poluvoikih elemenata.

1.4.1. Ispravljai

Ispravljai su elektroniki pretvaraki sklopovi koji pretvaraju izmjeninu energiju u

istosmjernu, onosno meusobno povezuju izmjenine i istosmjerne elektrine sisteme

(mree).

Ispravljake sklopove moemo poijeliti prema nainu spajanja s izmjeninom mreom,

nainu koritenja energije iz izmjenine mree, karakteru izlaznog napona i stepenu

upravljivosti.

Prema nainu spajanja ispravljaa na izmjeninu mreu, razlikujemo jenofazne, trofazne i

viefazne ispravljake spojeve.

Prema nainu koritenja energije izmjenine mree, ispravljaki spojevi mogu biti poluvalni i

punovalni.

Kako prilikom ispravljanja na opteredenju nastaje pulzirajudi napon koji u sebi sari

istosmjernu komponentu, osnovni harmonik i vie harmonike komponente,ispravljake

spojeve razlikujemo prema broju pulzacija koje predstavljaju odnos frekvencije osnovnog

harmonika i frekvencije izmjenine mree. U tom smislu postoje jenopulsni i viepulsniispravljaki sklopovi.

Prema stepenu upravljivosti, razlikujemo neupravljive ispravljake sklopove u kojima su

ventili diode, poluupravljive sa diodama i tiristorima i upravljive s tiristorima kao upravljivim

ventilima.

Strukturna ema ispravljaa prikazana je na slici 1.4.1.

Slika 1.4.1. Strukturna ema ispravljaa


11/80

10

Ispravljaki transformator prilagoava ulazni i izlazni napon i galvanski ovaja elektrinu

mreu o opteredenja. Ventil (ioa), upravljaki ventil (tiristor) ostvaruje funkciju

ispravljanja izmjenine u istosmjernu energiju. Filter smanjuje pulzacije ispravljenog napona i

struje. Upravljaki sistem upravlja raom upravljivih ventila. Blok za zatitu i signalizaciju

ostvaruje zatitu cijelog sistema i prima informacije o ranim i havarijskim stanjima.

Na slijeedojslici prikazan je primjer ispravljaa (AC/DC pretvorbe)

Slika 1.4.2. Trofazni ispravlja

1.4.2. Invertori

Invertori su elektroniki pretvarai koji povezuju istosmjerne mree s izmjeninim, onosnopretvaraju istosmjernu energiju u izmjeninu. Moemo ih podijeliti prema karakteru

opteredenja, karakteru izlaznog napona i prema stepenu upravljivosti.

Prema karakteru opteredenja, invertore ijelimo na mreom voene ( ili zavisne) i

autonomne (ili nezavisne). Autonomni invertori mogu biti strujni, naponski i rezonantni.

Prema karakteru izlaznog napona, invertori mogu biti jenofazni, trofazni i viefazni.

Prema stepenu upravljivosti, razlikujemo neupravljive i upravljive invertore.

Primjer invertora (DC/AC) pretvorbe prikazan je na slijeedoj slici.


12/80

11

Slika 1.4.3. Rezonantni istosmjerno-izmjenini pretvara

1.4.3. Istosmjerni pretvarai

Istosmjerni pretvarai su sklopovi koji povezuju istosmjerne mree, onosno pretvaraju

jean nivo istosmjernog napona u rugi ili jenu jainu struje u rugu.

Istosmjerni pretvarai mogu biti irektni i inirektni.

Direktni istosmjerni pretvarai se ijele prema ostvarenoj vezi izmeu njihovog ulaza i izlaza i

prema nainu upravljanja.

Prema ostvarenoj vezi izmeu ulaza i izlaza, irektni pretvarai mogu biti s galvanskomizolacijom i bez galvanske izolacije. Ko galvanski izoliranih irektnih pretvaraa prenos

energije se moe ostvariti ili pomodu transformatora ili bez njega. Direktni pretvarai

istosmjernog napona bez galvanske izolacije mogu imati izlazni napon nii o ulaz nog

napona ili vii o ulaznog napona.

U pogleu naina upravljanja, irektni pretvarai istosmjernog napona mogu biti frekventno

upravljivi i frekventno i irinski upravljivi.

Na slijeedoj slici prikazana je blok ema inirektnog istosmjernog pretvaraa

Slika 1 .4.4. Blok ema inirektnog istosmjernog pretvaraa


13/80

12

Inirektni istosmjerni pretvarai sastoje se iz invertora, filtera za filtriranje invertiranog

istosmjernog napona i ispravljaa koji ispravlja ismjenini napon obijen iz invertora.

Osnovni neostatak ovih pretvaraa je vostruka obraa energije, jeanput u invertoru a

drugi put u ispavljakom transformatoru. Zbog toga imaju relativno nizak stepen korisnog

dejstva.

Dobra osobina je to putem ispravljakog transformatora obezbjeuju galvansku izolaciju

ulaza o izlaza i imaju mogudnost irokog spektra izlaznih napona u onosu na ulazni.

Slika 1.4.5. Direktni istosmjerni pretvara

Ko ovih pretvaraa se koriste impulsne metoe pretvaranja i reguliranja istosmjernog

napona IPIN. Reguliranje izlaznog napona ostvaruje se irinsko impulsnom metoom (IM) ifrekventno impulsnom metodom (FIM).

1.4.4. Izmjenini pretvarai

Izmjenini pretvarai su elektroniki ureaji koji povezuju izmjenine elektrine mree

razliitih parametara, onosno pretvaraju izmjenini napon jenog nivoa u izmjenini napon

rugog nivoa ili izmjenini napon jene frekvencije u izmjenini napon ruge frekvencije i sl.

Izmjenini pretvarai se ijele na pretvarae napona i pretvarae frekvencije. Pretvarai

frekvencije mogu biti irektni i inirektni (s istosmjernim meustepenom).

Direktni pretvarai frekvencije se ijele prema onosu ulazne i izlazne frekvencije, nainu

iskljuenja tiristora i prema nainu upravljanja.

Prema onosu ulazne i izlazne frekvencije izmjeninog napona ili struje, irektni pretvarai

frekvencije mogu imati niu izlaznu frekvenciju i viu ili niu izlaznu frekvenciju.

Za iskljuenje tiristora ko irektnih pretvaraa frekvencije mogu se koristiti posebni

komutacioni krugovi,a mogu raditi i bez posebnih komutacionih krugova.


14/80

13

Prema nainu upravljanja, irektni pretvarai frekvencije mogu biti anvelopni i fazno

upravljivi, a ovi posljenji s krunom strujom i bez krune struje.

Ko inirektnih pretvaraa vri se vostruka pretvorba energije, napon inustrijske

frekvencije (50 Hz) prvo se ispravlja, filtriraju vie harmonike komponente a zatim obijeni

istosmjerni napon invertuje u napon ogovarajude frekvencije.

1.4.4.1. Pretvarai napona

Izmjenini regulator napona koristi preklapanje poluvoikih preklopki za pretvorbu

izmjeninog napona jene efektivne vrijenosti u izmjenini napon neke ruge manje

efektivne vrijednosti.

a) b) c)

Slika 1.4.6. eme pretvaraa izmjeninog napona

Ako se va tiristora meusobno spoje antiparalelno, a zatim u seriju s potroaem sl. 1.4.6.

a), na potroau se moe regulirati efektivna vrijenost izmjeninog napona. Za pretvaranjeizmjeninog napona koriste se fazne metoe, stepenaste i fazno stepenaste metoe, irinsko

impulsna metoda, kao i druge metode.

Fazne metode pretvaranja izmjeninog napona zasnivaju se na upravljanju efektivnom

vrijednosti izmjeninog napona na opteredenju, i to tako da se mijenja trajanje voenja

jenog o antiparalelno spojenih tiristora za vrijeme poluperioa frekvencije mree sl. 1.4.6.

a).

Fazno upravljanje je mogude ostvariti pri zaostajanju ugla upravljanja (sl. 1.4.7. a)), pri

prethoenju ugla upravljanja (sl. 1.4.7. b)) i pri kombinaciji oba naina upravljanja.

Dijagrami napona i struja prikazani na sl. 1.4.7. onose se na jenofazne pretvarae

izmjeninog napona s istim ranim opteredenjem.


15/80

14

Slika 1.4.7. Dijagrami napona i struja koji ilustriraju fazne metoe pretvaranja izmjeninog

napona

1.4.4.2. Pretvarai frekvencije

Oni mogu biti direktni i indirektni (s istosmjernim meustepenom).

Slika 1.4.8. Blok ema inirektnog pretvaraa frekvencije

Izmjenininapon se ispravlja u upravljivom ispravljau UI, zatim preko LC filtra F filtra i voi u

autonomni invertor AI. Invertor pretvara istosmjerni ulazni napon u izmjenini izlazni napon

frekvencije f2 koja se razlikuje od frekvencije ulaznog napona f1 . Funkciju reguliranja

izlaznog napona ostvaruje invertor, a ulaznog ispravlja. Pretvaranje frekvencije moe sevriti u irokim granicama a osnovni neostatak je vostruko pretvaranje energije ime je

znatno smanjen faktor korisnog dejstva.

Slika 1.4.9. emanajjenostavnijeg irektnog pretvaraa frekvencije


16/80

15

Slika 1.4.10. Vremenski ijagram ulaznog i izlaznog napona irektnog pretvaraa frekvencije

Ovi pretvarai frekvencije jenostepeno pretvaraju izmjeninu energiju frekvencije f1 u

izmjeninu energiju druge, obino nie frekvencije f2 . Krivulja izlaznog napona sastoji se o

djelova napona mree jer je opteredenje irektno preko tiristora vezano za izmjenini napon

mree.


17/80

16

2. Vjetroelektrane

2.1.1. Pretvarai u sistemima pretvaranjaenergije vjetra

Pretvarai imaju veoma iroku primjenu u sistemima pretvaranja energije vjetra. U

sistemima sa promjenjivom brzinom, kontroliraju brzinu/obrtni moment generatora a

takoer i aktivnu i reaktivnu snagu koja se aje u mreu. Postoji veliki izbor pretvaraa, a

biraju se ovisno o snazi sistema i tipu vjetroturbine, na nain a se obije konfiguracija koja

omogudava optimalnu kontrolu vjetrogeneratora.

Slika 2.1.1. prikazuje tri praktina sistema pretvaranja energije vjetra, kroz razlite

konfiguracije pretvaraa.

Slika 2.1.1.a prikazuje asinhroni generator, sa stalnom brzinom, gdje je soft-starter zauen

da reducira struju uzrokovanu eletromagnetnim tranzijentima koji se pojavljuju u trenutkukaa se generator prikljui na mreu. Soft-starter je u principu kontrolor izmjeninog

napona, gje je izlazni napon prilagoen tako a se polako povedava sa povedanjem

vremena pokretanja sistema.

Slika 2.1.1.b prikazuje sistem pretvaranja energije vjetra sa promjenjivom brzinom, koristedi

kavezni asinhroni generator ili sinhroni generator, gdje se koristi konfiguracija back-to-back

pretvaraa, sa va ientina IM (eng. PWM - pulse with moulation: irinsko-impulsna

moulacija) pretvaraa.

Ovi pretvaraimogu biti pretvarainaponskog izvora ili pretvaraistrujnog izvora.

Slika 2.1.1.c takoer prestavlja vjetroenergetski sistem sa promjenjivom brzinom ali samo

za sinhrone generatore, gje se, umjesto IM ispravljaa, moe koristiti niskotrokovni

ventilski ispravlja sa uzlaznim istosmjernim pretvaraem.

a) Vjetrogenerator stalne brzine sa soft-starterom


18/80

17

b) Vjetrogenerator promjenjive brzine sa back-to-back IM pretvaraima

c) Vjetrogeneratorpromjenjive brzine sa uzlaznim istosmjernimpretvaraem

Slika 2.1.1. Tri tipina sistema pretvaranjaenergije vjetra koji koriste razliite topologije

pretvaraa

2.1.2. Regulatori izmjeninog napona ( tzv. soft-starteri)

Veliki niskonaponski motori, sinhroni i asinhroni kavezni (400 V, 50 ili 60 Hz) se pokredu u

savremenim izvebama pogona ureajem za usporeni zalet (soft-start) ako nisu

frekventno regulirani. Soft-start ureajem se sniava napon pri pokretanju (automatska

regulacija napona elektronikim ureajima).

Soft-start ureajem se smanjuje struja pokretanja o iznosa kojeg ponosi prikljuna

mrea. Smanjenjem napona smanjuje se asinhroni moment u zaletu i to proporcionalno s

kvaratom napona. Prije oluke o primjeni soft-start ureaja treba provjeriti da li je

mogude konkretni pogon zaletjeti o potrebne brzine vrtnje sa smanjenom strujom.

Soft-start ureaji su razvijeni za napone o 13 kV, 50 i 60 Hz te se sve vie koriste i za

pokretanje visokonaponskih sinhronih i asinhronih motora.

Konfiguracija za pokretanje sinhronih motora najvedih snaga:

Soft-starter je ureaj, koji je uveen kao pomodna oprema za ugotrajnu vrtnju turbine

smanjnjem prolazne struje tokom ukljuenja ili iskljuenja generatora na mreu.


19/80

18

Slika 2.1.2. Soft-starter strujno kolo

Soft starter se jo naziva i upravljivi ventilskipokreta, te ima tri para antiparalelno spojenih

upravljakih ventilakoji napajaju tri faze generatora. Umjesto punog sinusoidalnog napona,

generator napajan iz upravljivog ventilskog pokretaa obija smanjeni napon zbog kanjenja

paljenja upravljakih ventila. Na poetku zaleta, upravljaki ventili okidaju s velikim uglom

voenja pa o generatora olazi vrlo mali napon. Kako generator ubrzava, upravljaki ventili

okidaju sve ranije sve dok kod pune brzine generatora ne ponu okiati bez kanjenja. Ovo

automatski reucira poetnu struju u sistemu.

Slika 2.1.2.1. Poreenjeirektnog prikljuka na mreu asinhrone kavezne maine i prikljukapomodu soft-start ureaja


20/80

19

Slika 2.1.2.2. Regulacija napona pomodu soft start

2.1.3. Uzlazni istosmjerni pretvara

Kako je prikazano na slici 2.1.1.c pretvara je smjeten izmeu ventilskog ispravljaa i

invertora. Uzlazni istosmjerni pretvara ima vije glavne funkcije: pradenje maksimalne

snage vjetra i povedanje istosmjernog napona o priklane vrijenosti za invertor. Druga

funkcija olakava hvatanje maksimalne snage iz vjetra pri svim brzinama vjetra. Za

vjetrogeneratore male ili srenje snage, o nekoliko kW o nekoliko stotina kW, esto se

koristi jednokanalni uzlazni istosmjerni pretvara.

Ko velikih vjetrogeneratora rea MW, vrijenosti struje i napona mogu lako otidi van

granica koje moe a izri jean sklopni ureaj. Vie sklopnih ureaja spojenih paralelno ili

serijski mogu biti rjeenje. Kako go, oatna mjerenja treba vriti rai jenake raspojele

struje ili napona izmeu paralelnih ili serijskih ureaja. Umjesto spajanja sklopnih ureaja

paralelno ili serijski, kao obro rjeenje se pokazalo kaskano ili paralelno vezivanje

pretvaraa.

U niskonaponskim (690 V) megavatnim vjetrogeneratorima, viekanalni uzlazni istosmjerni

pretvarai se esto koriste zbog upravljanja sa visokim strujama u sistemu.

Slika 2.1.3. prikazuje uzlazni istosmjerni pretvara. Kao to ime pretvaraa upuduje, izlazni

napon je uvijek vedi o ulaznog. Kaa je sklopka uklopljena, ventil je reverzno polariziran, a

izvor predaje energiju zavojnici. Kada je sklopka isklopljena, izlaz prima energiju iz izvora i

zavojnice. Pri ovoj analizi pretpostavlja se da je kapacitet kondenzatora dovoljno velik tako

a se moe uz ovoljnu tanost izlazni napon smatrati konstantnim.


21/80

20

Slika 2.1.3. Uzlazni istosmjerni pretvara

Pretpostavka: C tako velik da je Ud=const.

Slika 2.1.3.1. Prikaz za kontinuirani reim raa


22/80

21

Za kontinuirani reim raa vrijei:

Naponska transformatorska jenaina:

Strujna transformatorska jenaina dobije se iz naponske izjenaavanjem ulazne i izlazne

snage:


23/80

22

Slika 2.1.3.2. Temeljni valni oblici u kontinuiranom nainu raa


24/80

23

2.1.4. Jednokanali uzlazni istosmjerni pretvara

Slika 2.1.4. Pojednostavljeno kolo za jednokanalni uzlazni istosmjerni pretvara

Slika 2.1.4.1. Oblici valova struje i napona za kontinualni reim raa

Kaa pretvara rai u kontinuiranom mou, struja kroz zavojnicu nika ne pane na nulu.

Slika 2.1.4.1. prikazuje tipine valne oblike napona i struja kaa pretvara rai u tom mou.

Izlazni napona je:


25/80

24

Slika 2.1.4.2. Oblici valova struje i napona u iskontinuiranom reimu raa

Ako je oscilovanje amplitue struje veliko, zavojnica moe biti potpuno ispranjena prije

krajacijelog komutacijskog ciklusa.Vrijednost izlaznog napona je:

2.1.5. Dvokanali uzlazni istosmjerni pretvara

Jean kanal je sastavljen o prekiaa , ventila i zavojnice , a rugi o prekiaa ,

ventila i zavojnice . Ova dva kanala su spojena paralelno, te dijele isti kondenzator Cna

izlazu.


26/80

25

Slika 2.1.5. Dvokanalni uzlazni istosmjerni pretvara

Slika 2.1.5.1. Dvokanalni uzlazni istosmjerni pretvaraD


27/80

26

Slika 2.1.5.2. Dvokanalni uzlazni istosmjerni pretvaraD>0,5

Sa ovakvim dizajnom (Slika 2.1.5.2.), signali gejta i za prekiae i su ientini, ali

pomjereni za , gdje je Nbroj paralelnih kanala pretvaraa.

2.1.6. Viekanalniuzlazni istosmjerni pretvara

Slika 2.1.6. prikazuje topologiju pretvaraaza trokanalni (N=3) uzlazni istosmjerni pretvara

sa . Sastoji se o tri jenokanalna pretvaraaspojena paralelno. Signali gejta za

pretvaraesu ientini osim vremenskog kanjenja o izmeu pretvaraa (Slika 2.1.6.1.).

Slika 2.1.6. Viekanalni uzlazni istosmjerni konverter


28/80

27

Slika 2.1.6.1. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom sa trajnim magnetima i

dvokanalnim uzlaznim istosmjernim pretvaraem

Sinhroni generator sa trajnim magnetima, koji je sastavni dio vjetrogeneratora, karakteristika

1,2 MW, 690 V, je prikazan na Slici 2.1.6.2., zajedno sa dvokanalnim uzlaznim istosmjernim

pretvaraem i IM naponskim izvorom. Uzlazni istosmjerni pretvara ima dvije glavne

funckije: (1) a poveda ulazni istosmjerni napon (eng. input) na vedi (eng. output) na

izlazu, te (2) a omogudi pradenje take maksimalne snage (eng. maximum power point

tracking - MPPT) tako a vjetrogenerator moe isporuiti maksimalnu mogudu snagu

uhvadenu o strane turbine u mreu pri bilo kojoj brzini vjetra. Glavnafunckija invertora je

a ri ulazni istosmjerni napon, koji je izlaz uzlaznog istosmjernog pretvaraa, na fiksnojvrijenosti, ali i a kontrolie reaktivnu snagu koja se aje u mreu.

Slika 2.1.6.2. Prikaz dvokanalnog uzlaznog istosmjernog pretvaraa, upotrijebljenog u

vjetrogeneratoru sa sinhronim generatorom sa trajnim magnetima


29/80

28

2.1.7. Sinusna irinska-impulsna modulacija

irinsko-impulsna modulacija (skradeno IM) je vrsta upravljanja koja prestavlja nain a se

od digitalnog signala napravi signal analogne vrijenosti. Koridenjem brojaa sa visokom

rezolucijom, onos impuls/pauza se moulie a ogovara specificiranom nivou analognog

signala. U literaturi se esto naziva i PWM, po skradenici o engleskog naziva: Pulse Wie

Modulation.

Opis irinsko-impulsne modulacije

IM kontrola je modna tehnika za upravljanje analognim kolima pomodu igitalnih izlaza. IM

je primjenjena u irokom spektru aplikacija, o primjene u mjerenjima i komunikacijama, sve

do primjene u kontroli snage i konverzijama elektrine energije u ruge oblike (zvuk,

mehaniku energiju.).

Analogni signalima kontinualno promjenljivu vrijenost amplitue, kao i beskonanu

rezoluciju i po vremenskoj osi i po amplitui. Jean o primjera analognog ureaja je baterija

o 9V, pri emu njen izlaz nije tano 9V nego se mijenja u vremenu i moe a uzme

vrijednost bilo kojeg realnog broja u blizini 9V. Slino i struja koja tee iz baterije nije

ograniena brojem mogudih vrijenosti. Analogni signali se razlikuju o igitalnog jer se ko

igitalnog signala uvek uzima vrijenost iz konanog skupa preefinisanih mogudih

vrijenosti, kao to je npr. skup {0V,5V}.

Analogni napon i struja se mogu koristiti za irektnu kontrolu, kao to je jaina zvuka naradiju. Okretanjem potenciometra se povedava i smanjuje otpornost na krajevima

potenciometra i time se proporcionalno mijenja i struja koja tee kroz njega. Ova promjena

utie i na promjenu struje koja tee kroz zvunik pa time utie i na jainu zvuka.

Glavna prednost analognih kola je uglavnom jednostavnost kako to na prvi pogled izgleda.

Ali izbor analognog rjeenja esto nije praktian, ekonomian i ovoljno atraktivan. Analogna

kola takoe vremenom mijenjaju svoje osobine. Precizna analogna kola u kojima je taj

problem rjeen mogu biti velika i skupa. Takoe postoji problem isipacije jer je ona

srazmjerna naponu na krajevima kola i struji koja kroz kolo tee, pa je potrebno njegovo

hlaenje. Analogna kola su takoe osjetljiva na um.

Digitalnom kontrolomanalognih kola, cijena i potronja serastino mogu smanjiti. ta vie,

mnogi mikrokontroleri i DSP (eng. Digital Signal Processors) ved imaju implementiran

generator IM signala ime se olakava realizacija ureaja.

Ukratko, IM je nain a se o igitalnog signala napravi signal analogne vrijednosti.

Koridenjem brojaa sa visokom rezolucijom, onos impuls/pauza se moulie a ogovara

specificiranom nivou analognog signala. IM signal je i alje igitalni zato to je u atom

vremenskom periou napajanje potpuno ukljueno ili potpuno iskljueno. Naponski ili strujniizvor se ovoi na analogno kolo putem povorke impulsa sa ogovarajudim onosom


30/80

29

impuls/pauza. Koristedi ovoljno usku periou, bilo koja analogna vrijenost koja upaa u

opseg mogudnosti izvora moe se postidi putem IM signala.

Na slici 2.1.7. su prikazani IM signali sa tri razliita onosa impuls/pauza , onosno sa trirazliita faktora ispune. Nasl. 2.1.7.a je prikazan signal sa faktorom ispune 0,1, na sl.

2.1.7.b je prikazan signal sa faktorom ispune 0,5 i na sl. 2.1.7.c je prikazan signal sa faktoromispune 0,9. Ova tri signala reprezentuju tri vrijednosti analognog signala. Ako je npr. napon

napajanja 9V tada navedeni signali na svom izlazu daju vrijednosti od 0.9V, 4.5V i 8.1V

respektivno.

Slika 2.1.7. IM signali sa razliitim faktorima ispune

Naponski pretvarai sa irinsko-impulsnom modulacijom

Pretvarai se generalno klasificiraju u vije grupe: naponske pretvarae i strujne pretvarae.

Naponski pretvarai proizvoe talasni oblik trofaznog izlaznog napona sa irinsko-impulsnom

moulacijom, a strujni pretvara na izlazu aje talasni oblik struje, takoer zasnovan na

irinsko-impulsnoj moulaciji. IM strujni pretvara podrazumijeva jednostavnu topologiju

pretvaraa, sa priblino sinusnim talasnim oblicima i pouzanom zatitom od kratkog spoja.

Posebno je prikladan za aplikacije na visokom naponu, kakvi su megavatni pogoni sa

promjenjivom brzinom i sistemi pretvaranja energije vjetra.


31/80

30

2.1.8. IM strujni invertor

Tipino kolo trofaznog IM strujnog invertora je prikazano na Slici 2.1.8. Invertor je

sastavljen o est simetrinih upravljakih ventila ili antiparalelno spojenih bipolarnihtranzistora sa izoliranom upravljakom elektroom. Invertor zahtijeva istosmjerni strujni

izvor na svom ulazu te daje na izlazu struju , efinisanu sa irinsko-impulsnom

modulacijom.

Slika 2.1.8. IM strujni invertor

Strujni invertor obino zahtijeva trofazni konenzator na svom izlazu kao bi mogao

pomodi u komutaciji sklopnih ureaja. Naprimjer, pri iskljuenju prekiaa , strujapadne na nulu u veoma kratkom periodu. Kondenzator osigurava strujni put za energiju

zarobljenu u induktivitetu faze aopteredenja. U suprotno bi se stvorio visokonaponski pik,

uzrokujudi tetu na prekiaima. Konenzator se takoer ponaa i kao harmonijski filter,

poboljavajudi talasni oblik struje opteredenja i talasne oblike napona. Vrijenost kapaciteta

kondenzatora je obino u okviru 0,3-0,6 p.u. za invertor sa radnom (sklopnom) frekvencijom

od 200-400 Hz.


32/80

31

2.2. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom promjenjive brzine

2.2.1. Konfiguracija sa back-to-back konvertorima punog kapaciteta

Tipina konfiguracija ovih konvertora je prikazana na slici 2.2.1. Kod vjetrogeneratora na

niskom naponu koriste se dvorazinski konvertori napona, dok se kod srednjeg napona koriste

trorazinski NPC konvertori. Paralelni moduli ili kanali konvertora su neophodni u

niskonaponskim sistemima za generatore vede o 0,75 MW, ok se u srenjenaponskim

sistemima koristi samo jean konvertor, s obzirom a on moe ponijeti snagu i o nekoliko

megavata. Ne trebaju svi vjetrogeneratori sa sinhronim generatorom multiplikator. Kada se

koristi generator male brzine sa vedim brojem polova, multiplikator se ne mora koristiti. To

reucira trokove, teinu i oravanje.

a) Niskonaponski vjetrogenerator

b) Srednjenaponski vjetrogenerator

Slika 2.2.1. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom sa dvorazinskim naponskim

konvertorom i trorazinskim NPC konvertorom


33/80

32

2.2.2. Konfiguracija sa IM strujnim konvertorima

Slika 2.2.2.1 prikazuje tipinu konfiguraciju za srenjenaponski vjetrogenerator sa strujnim

konvertorom. Strujni konvertor je pogodan za velike vjetrogeneratore sa sinhronim

generatorom na srednjem naponu od 3 kV ili 4 kV.

Slika. 2.2.2. Konfiguracija srednjenaponskog vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom

koristedi strujne pretvarae

2.2.3. Konfiguracija sa ionim ispravljaem i istosmjernim konvertorima

Konfiguracija sa ionim ispravljaem i viekanalnim uzlaznim istosmjernim konvertorima

Da bi se reucirali trokovi vjetroenergetskog sistema, vorazinski naponski ispravlja sa slike

2.2.1a se moe zamijeniti sa ionim ispravljaem i uzlaznim istosmjernim konvertorom

kako je prikazano na slici 2.2.3.1a. Ova konfiguracija konvertora se ne moe koristiti za

vjetrogeneratore sa kaveznim asinhronim generatorom s obzirom da diodni ispravlja ne

moe osigurati struju magnetiziranja potrebnu za asinhroni generator. Dioni ispravlja

ispravlja promjenjivi napon generatora u istosmjerni napon, to se povedava na vii

istosmjerni napon pomodu uzlaznog istosmjernog konvertora. Veoma je vano a napon

generatora pri niskim brzinama vjetra bue povedan na ovoljno visok nivo za invertore, toosigurava isporuku maksimalne uhvadene snage u mreu sa punom brzinom vjetra.

Dvorazinski invertor regulira onos istosmjernog napona i reaktivne snage mree. Snaga

sistema je rea nekoliko kilovata o nekoliko stotina kilovata te se moe oatno povedati

na nivo megavata koristedi vokanalni ili trokanalni uzlazni istosmjerni konvertor kako je

prikazano na slici 2.2.3b.

Usporebom sa IM naponskim ispravljaem, ioni ispravlja i uzlazni istosmjerni konvertor

su jenostavniji i manje kotaju. Ipak, talasni oblik struje statora je izoblien zbog upotrebe

ionog ispravljaa, to povedava gubitke u generatoru i uzrokuje njihanje (valovitost)


34/80

33

obrtnog momenta. Obje konfiguracije sistema prikazane na slici 2.2.3.1 se koriste u

praktinim sistemima.

Alternativna konfiguracija vjetrogeneratora sa estofaznim generatorom sa viekanalnim

uzlaznim istosmjernim konvertorom je prikazan na slici 2.2.3.2, gdje je izlaz generatora

ispravljen sa va iona ispravljaka mosta. Za povedanje snage se koristi trokanalni uzlazni

istosmjerni konvertor sa dva paralelna trofazna invertora. Ova topologija osigurava

niskotrokovnu alternativu u poreenju sa back-to-back naponskim konvertorom punog

kapaciteta.

a) Jednokanalni uzlazni istosmjerni konvertor

b) Dvokanalni istosmjerni uzlazni konvertor

Slika 2.2.3.1. konfiguracija vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom sa diodnim

ispravljaem i uzlaznim istosmjernim konvertorima


35/80

34

Slika 2.2.3.2. Konfiguracija vjetrogeneratora sa estofaznim sinhronim generatorom i

trokanalnim uzlaznim istosmjernim konvertorom

Konfiguracija sa ionim ispravljaem i vierazinskim uzlazim istosmjernim konvertorima

Druga konfiguracija za diodni uzlazni istosmjerni invertor je prikazano na slici 2.2.3.3, gdje je

koriten trorazinski uzlazni istosmjerni konvertor. Trorazinski uzlazni istosmjerni konvertor se

sastoji od dva uzlazna istosmjerna konvertora spojena kaskadno. Ova alternativa je nala

praktinu primjenu za snage o 1,2 MW.

Varijanta ove konfiguracije za srednjenaponske vjetroturbine je prikazan na lici 2.2.3.4, gdje

je pogon na srednjem naponu od 3 ili 4 kV upotpunjen sa trorazinskim uzlaznim istosmjernim

konvertorom i trorazinskim NPC invertorom. Iako ova konfiguracija nije jo komercijalizirana,prestavlja obedavajudu topologiju za srenjenaponske vjetrogeneratore.

Slika 2.2.3.3. Niskonaponski vjetrogenerator sa ionim ispravljaem i trorazinskim uzlaznim

istosmjernim konvertorom


36/80

35

Slika 2.2.3.4. Srednjenaponski vjetrogenerator sa trorazinskim uzlaznim istosmjernim

konvertorom i NPC konvertorom

Konfiguracija vjetrogeneratora sa ionim ispravljaem i silaznim konvertorom

Razmatrajudi koncept dualnosti za naponske i strujne konvertore, konfiguracija strujnog

konvertora sa ionim ispravljaem i silaznim konvertorom je analogna konfiguraciji

naponskog konvertora. Uzlazni istosmjerni konvertor u topologiji naponskog konvertora koji

povedava istosmjerni izlazni napon moe se zamijeniti sa silaznim konvertorom. Ovo

omogudava upotrebu jenostavnog ionog ispravljaa za konfiguracije strujnog konvertora,

koja je prikazana na slici 2.2.3.5.

Kontroliranjem radnog ciklusa silaznog konvertora i indeksa moulacije kao i ugla kanjenja

invertora, mogu se istovremeno kontrolirati i aktivna snaga na strani generatora, istosmjerna

struja i reaktivna snaga na strani mree.

U poreenju sa konfiguracijom back-to-back strujnog konvertora, vjetrogenerator sa

silaznim konvertorom predstavlja pouzdanu, jednostavnu i jeftinu soluciju. Ipak, statorska

struja sari vedi THD zbog upotrebe ionog ispravljaa, to uzrokuje valovitost (njihanje)momenta i gubitke harmonika.


37/80

36

Slika 2.2.3.5. Konfiguracija srednjenaponskog vjetrogeneratora sa silaznim konvertorom i

strujnim invertorom

2.2.4. Konfiguracije sa istribuiranim konvertorima za vienamotne

generatore

Za povedanje snage vjetrogeneratora mogude je koristiti istribuirane konvertore za

vienamotne generatore ili za vie generatora. Transformator na strani mree takoer moe

biti izajniran sa vie namota. Ovakva konfiguracija ima brojne prenosti, o kojih se mogu

izdvojiti:

- Konvertori male snage za

megavatne vjetrogeneratore. Ukupna generirana snaga moe biti isporuena

u mreu preko nekoliko stanarnih vorazinskih naponskih konvertora. Ovi

konvertori imaju manje trokove proizvonje i poboljanu pouzanost.

- Nema cirkulirajude struje ili

smanjenja snage. Distribuirani konvertori su meusobno izolirani. Mala

valovitost (njihanje) obrtnog momenta i harmonijska distorzija. U

estofaznom sinhronom generatoru, statorski naponi va statorska namota supomjereni tako a struje harmonika nieg rea proizveene o strane

konvertora na strani generatora mogu nestati, to naposlijetku dovodi do

reukcije valovitosti (njihanja) momenta. Na strani mree, mogu se koristiti

fazno pomjereni transformatori, zbog kojih ona mogu nestati struje niih

harmonika proizveene o strane konvertora na strani mree. Posljeino,

mogu se koristiti filteri manjih imenzija sa reuciranim trokovima i

gubicima.


38/80

37

2.2.5. Konfiguracija sa vienamotnim generatorima

Vienamotni generator je prikazan na slici 2.2.5.1, gje je koriten estofazni generator a

snaga je isporuena u mreu preko va kanala istribuiranih konvertora. Svaki kanal

konvertora je sastavljen od dvorazinskih naponskih konvertora i filtera. S obzirom da su dvijegrupe statorskih namota izolirana, nema cirkulirajude struje izmeu kanala va konvertora.

Zato izlazi kanala oba konvertora mogu biti prikljueni na namot istog transformatora.

Alternativno se moe koristiti fazno pomjereni transformator, kako je prikazano na slici

2.2.5.1. Sa ogovarajudim izajnom prekiaa va invertora, situacija u vezi sa harmonicima

na strani mree se moe oatno poboljati pomodu fazno pomjerenog transformatora.

Slika 2.2.5.1. Konfiguracija konvertora za vjetrogenerator sa estofaznim generatorom

Drugi primjer za vienamotni generator je prikazan na slici 2.2.5.2, gje generator ima est

trofaznih namotaja, a svaki namot aje snagu vjetra u mreu preko kanala konvertora.

Konfiguracija sistema je ista kao ona sa estofaznim generatorom osim toga a nema faznog

pomjeranja izmeu statorskih napona razliitih namota.

Slika 2.2.5.2. Generator sa est statorskih namota za viemegavatni vjetrogenerator


39/80

38

2.2.6. Konfiguracija sa vie generatora

Ovakav tip konfiguracije je prikazan na slici 2.2.6. Sistem koristi distribuirani multiplikator sa

vie osovina sa velikim brzinama koji pokrede etiri nezavisna generatora. Svaki generator je

spojen na mreu preko kanala konvertora, sastavljenih o ispravljakog ionog mosta idvorazinskih naponskih konvertora. S obzirom a je snaga rasporeena izmeu etiri

istribuirana konvertora, vjetrogenerator moe osegnuti nivo viemegavatne snage bez

koritenja paralelnih sklopnih ureaja ili konvertora.

Slika 2.2.6. Konfiguracija sa etiri generatora sa ionim ispravljaima i dvorazinskim

naponskim konvertorima

Glavna prenost ovakve konfiguracije je velika snaga postignuta pomodu istribuiranog

multiplikator i sistemom vie generatora. Ovo voi ka upotrebi lake i manje gonola za

viemegavatnu vjetroturbinu to ujeno smanjuje trokove transporta i instalacije. Upotreba

ionog ispravljaa i stanarnog vorazinskog konvertora ovo ini jeftinijom opcijom. Ova

konfiguracija moe osigurati reunanciju za mogude kvarove. Ako je jean kanal konvertora

u kvaru, moe biti izvojen i onesen na servisiranje, a snaga se moe lako preraspoijeliti

izmeu rugih kanala. Glavni neostatak ovakvog sistema je to to zahtijeva kompleksan

multiplikator.

2.2.7. Vjetrogenerator promjenjive brzine sa sinhronim generatorom

Blok dijagram tipinog vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom promjenjive brzine je

prikazan na slici 2.2.7. Sistem se sastoji od vjetroturbine, multiplikatora, sinhronog

generatora, konvertora i transformatora za spoj na mreu. Brzina turbine zavisi o njene

snage i broja elisa. Za turbinu sa tri elise horizontalno postavljene, brzina turbine je

aproksimativno u opsegu 20-300 o/min za malu ili srenju veliinu i 8 -30 o/min za velike


40/80

39

megavatne turbine. Brzina sinhronog generatora, s druge strane, ovisi o statorskoj frekvenciji

i broju polova. Genertor moe biti konstruisan za nekoliko o stotine polova. Na primjer, sa

statorskom frekvencijom od 13,2 Hz, brzina generatora je 22 o/min za 72-polni generator.

Eliminacija multiplikatora zahtijeva upotrebu generatora sa velikim brojem polova, ali je

takav generator skuplji i tei o onog sa malim brojem polova za atu snagu. Za evaluaciju

rjeenja potrebno je uraiti analizu trokova.

Slika 2.2.7. Blok-dijagram za vjetrogenerator sa sinhronog generatora promjenjive brzine

Regulacija vjetrogeneratora ukljuuje regulaciju aktivne snage na strani generatora sa

pradenjem take maksimalne snage (eng. MPPT maximum power point tracking), regulaciju

reaktivne snage na strani mree i regulaciju istosmjernog napona za naponske konv ertore ili

istosmjerne struje za strujne konvertore.

Konvertori prikazani na Slici 2.2.7 procesiraju punu snagu o generatora prema mrei (u

sistemima sa dvostrano napajanim asinhronim generatorom konvertori provedu samo oko

30% ukupne snage od generatora prema mrei).

Upotreba konvertora punog kapaciteta dozvoljava da regulacija za konvertore na strani

generatora i mree bue ovojena, to, izmeu ostalog, povedava opseg pogona generatora.

Rani napon za komeracijalne vjetogeneratore se krede o nekoliko stotina volti (tipino 690

V) do nekoliko hiljada volti (3000 V), gdje je napon visokonaponskog sistema (35 kV)

uobiajeno koriten za velike vjetrofarme. Zato je transformator potreban, na nain na koji jeprikazan na slici 2.2.7. Transformator takoer omogudava elektrinu izolaciju izmeu

iniviualnih vjetroturbina i mree.


41/80

40

2.3 Regulacija sinhronih generatora

2.3.1. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom i back-to-back konvertorom

Kod vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom, tri sistemske varijable trebaju biti usko

kontrolirane:

(1) maksimalna aktivna snaga koju moe proizvesti vjetrogenerator pri atoj brzini

vjetra

(2) reaktivna snaga injektovana u mreu, pradena o strane mrenog operatera ili

kontrolora

(3) napon istosmjernog meukruga konvertora.

U vedini sluajeva, konvertor na strani generatora kontrolira aktivnu snagu generatora sa

pradenjem take maksimalne snage ok konvertor na strani mree kontrolira istosmjerni

napon i reaktivnu snagu koja se aje u mreu.

U ovom poglavlju se posebna panja posveduje vjetrogeneratoru sa sinhronim generatoromsa cilinrinim rotorom, sa regulacijom optimalnog obrtnog momenta i regulacijom

maksimalnog obrtnog momenta po amperu.

2.3.2. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom sa cilinrinim rotorom te

regulacijom optimalnog obrtnog momenta i regulacijom nulte struje d-ose

Blok-dijagram vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom sa cilinrinim rotorom teregulacijom obrtnog momenta i nultom strujom d-ose je prikazan na Slici 2.3.1, gdje

konvertor (ispravlja) na strani generatora kontrolira aktivnu snagu sistema, a konvertor

(invertor) na strani mree kontrolira istosmjerni napon i reaktivnu snagu sistema.

Ovisno o snazi i naponu sistema, konvertori mogu biti dvorazinski naponski konvertori,

paralelni konvertori ili trorazinski NPC (eng. Neutral Point Clamped) konvertori.


42/80

41

Da bi se uradila analiza regulacije, napravljene su sljeede pretpostavke:

-Nema gubitaka snage u sistemu konvertora i izlazna snaga generatora je

jenaka aktivnoj snazi isporuenoj u mreu.

-Harmonici napona i struje proizveeni o strane konvertora ne utiu na

dizajn sistema regulacije i zato su zanemareni u ovoj analizi.

Slika 2.3.1: Kontrolna ema vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom sa cilinrinim

rotorom i regulacijom nulte struje d-ose

Kako je prikazano na Slici 2.3.1, pradenje take maksimalne snage je postignuto kontrolom

optimalnog obrtnog momenta. Kontrola aktivne snage je realizirana kontroliranjem obrtnog

momenta generatora preko komponente struje statora. Referentni obrtni moment

je generisan OTC (OTC - kontrola optimalnog obrtnog momenta) blokom prema izmjerenoj

mehanikoj brzni rotora . Referentna struja statora je izraunata iz i prema

jenaini (67).

Referentna struja d-ose statora je postavljena na nulu a bi se realizovala ema kontrole

nulte struje d-ose. Za orijentaciju polja rotorskog fluksa, ugao pozicije rotorskog fluksa je

otkriven pomodu enkoera montiranog na osovini generatora. Izmjerene struje statora, ,

, , su transformirane u struje d i q-ose, i . Praktino, samo vije o tri struje


43/80

42

statora trebaju biti izmjerene. Treda struja se moe izraunati pomodu izraza

za trofazni balansirani sistem.

Izmjerene struje d i q-osa statora su ona usporeene sa njihovim referentnim strujama,

i , respektivno. Greke su proslijeene ka va PI kontrolera, koji generiu referentnenapone d i q-ose, i za ispravlja. Ova va referentna napona u sinhronom q

koordinatnom sistemu su onda transformirana u trofazne referentne napone, , i u

abc koordinatnom sistemu preko dq/abc transformacije.

Trofazni sinusni referentni naponi su poslani ka IM generatorskom bloku. Moe se koristiti

metoa signala nosilaca, koja prestavlja najvie koritenu metoe irinsko-impulsne

modulacije ili vektorska modulacija.

Zanemarenjem harmonikih komponenata, ulazni naponi ispravljaa, , , , koji sutakoer statorski naponi generatora, mogu ona biti poeeni prema njihovim referentnim

vrijednostima tako da bude kontrolirana aktivna snaga generatora.

Glavna funkcija invertora je da kontrolira reaktivnu snagu i napon istosmjernog meukruga

. Mreni napon ( i ), struja mree ( i ), te istosmjerni napona ( ) su

izmjereni. Fazno zatvorena petlja (eng. PLL phase locked loop) je potrebna da prati vektor

mrenog napona i generie ugao mrenog napona za naponski orijentiranu kontrolu

2.3.3. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom sa istaknutim polovima saMTPA i regulacijom brzine vrtnje rotora

Slika 2.3.2 prikazuje blok-dijagram ovakvog sistema.


44/80

43

a) Blok-dijagram kontrole

b) Kontroler brzine rotora

Slika 2.3.2: Blok dijagram sa vjetrogeneratorom sa sinhronim generatorom sa istaknutim

polovima sa MTPA i regulacijom povratne veze brzine vrtnje rotora

U onosu na prethoni sluaj, gje je analiziran sinhroni generator sa cilinrinim rotorom,

ovje je u pitanju sinhroni generator sa istaknutim polovima. MTPA kontrola je koritena za

generator sa istaknutim polovima, ok je ko generatora sa cilinrinim rotorom

upotrijebljena kontrola nulte struje d-ose. Kontrola brzine vrtnje rotora se koristi sa

kontrolom optimalne snage za pradenje take maksimalne snage.

Za implementaciju regulacije brzine vrtnje rotora, mehanika brzina rotora je regulirana

pomodu PI regulatora brzine rotora. Referentna brzina rotora je generisana iz izmjerenemehanike snage . Za realizaciju pradenja take maksimalne snage, referentna brzina

rotora je izraunata kao (84):

gdje koeficijent moe biti oreen sa nazivnom brzinom rotora i nazivnom mehanikom

brzinom generatora.

Za implementaciju MTPA za generator sa istaknutim polovima, referentne vrijednosti za

struje d i q-ose, i , su date sa (85):


45/80

44

gdje je izmjerena struja d-ose statora, je proizveden od strane PI regulatora brzine

vrtnje rotora, a je raspini fluks rotora, konstantna vrijednost sinhronog generatora sa

permanentnim magnetima.

Glavna funkcija kalkulatora je a izrauna mehaniku snagu generatora baziranu na

izmjerenim naponima i strujama d i q-ose statora, kao to je prikazano na Slici 2.3.2 (86):

gdje je: , a predstavlja gubitke snage u namotu statora. Izmjereni

napon statora sari veliku koliinu harmonika koji se javljaju prilikom komutacija, a

proizveenih IM ispravljaem. Niskopropusni filteri su neophoni kako bi isfiltrirali

harmonika za taan proraun prosjene mehanike snage za kontrolu pradenja take

maksimalne snage.

2.3.4. Kontrola pradenja take maksimalne snage na strani mree

U emama regulacije koje su prezentovane ranije, aktivna snaga vjetrogeneratora je

regulirana ispravljaem a bi se postigla kontrola pradenja take maksimalne snage, ok jenapon istosmjernog meukruga kontroliran invertorom. Alternativni pristup bi bio a se

poesi aktivna snaga invertora i regulacija istosmjernog napona ispravljaa, kao to je

prikazano na Slici 2.3.3.

Regulacija istosmjernog napona je postignuta PI kontrolerom koji poredi izmjereni

istosmjerni napon sa njegovim referentnim naponom . Izlaz PI kontrolera je

referenca za struju q-ose statora . Referenca za struju d-ose statora je nula da bi se

zadovoljila kontrola nulte struje d-ose. Signali referentnih struja dq-osa, i , su onda

poslani regulacijskom bloku generatora, koji priblino regulira struje i q-ose statora.


46/80

45

Slika 2.3.3: ema regulacije vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom te kontrolom

pradenja take maksimalne snage na strani mree

Za regulaciju invertora, referenca za aktivnu snagu u mreu, , je izraunata o strane

MPPT bloka prema izmjerenoj brzini vjetra ili brzini rotora . Signali referentnih struja

mree, i , su generisani prema zahtjevima za aktivnom i reaktivnom snagom.

Reference struja su poslane u blok regulacije invertora, preko kojeg se regulie aktivna i

reaktivna snaga sistema. Regulacija napona istosmjernog meukruga o strane ispravljaa

(Slika 2.3.3) ne mora a funkcionie tako obro kao regulacija napona istosmjernog

meukruga o stane invertora (Slika 2.3.1) zbog injenice a se ulazni napon ispravljaa

mijenja sa brzinom rotora, gje je mreni napon konstantan u vedini sluajeva.

2.3.5. Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom i uzlaznim istosmjernim

konvertorom

Uzlazni istosmjerni konvertor sa trofaznim ionim ispravljaem se moe koristiti da zamijeni

IM ispravlja. Ovo moe pojenostaviti regulaciju i potencijalno smanjiti trokove sistema.

Postoje dvije distinktivne karakteristike za ova dva tipa vjetrogeneratora:


47/80

46

1. Rotorski fluks sinhronog geenratora je proizveden permanentnim magnetima ili

rotorskim namotom, i zato, generator ne zahtijeva ispravlja a obezbijei

magnetizaciju kao to je to sluaj ko asinhronih generatora.

2. Izlazni istosmjerni napon uzlaznog istosmjernog konvertora se moe kontrolisati

(povedati) na nivo koji se zahtijeva od strane invertora. Ovo je posebno bitno pri

malim brzinama vjetra, kaa je izlazni napon ionog ispravljaa prenizak a bi

invertor radio pravilno.

Slika 2.3.4 prikazuje blok ijagram tipinog vjetrogeneratora sa uzlaznim istosmjernim

konvertorom. Slino rugim vjetrogeneratorima, tri varijable trebaju biti usko regulirane:

istosmjerni napon, aktivna snaga generatora te mrena reaktivna snaga. Istosmjerni napon

, proizveen o strane ionog ispravljaa, se mijenja sa brzinom generatora.

Istosmjerni napon , se, pak, orava na konstantnoj vrijenosti. Zbog uzlazne priroe

konvertora, istosmjerni napon je prirono vedi o . Aktivna snaga generatora je

regulirana poeavanjem ranog ciklusa D uzlaznog konvertora pomodu PI regulatora, ok je

reaktivna snaga poeena invertorom.

Slika 2.3.5 prikazuje simulirane talasne oblike za stacionarno stanje. Talasni oblik je

istorziran, to je uzrokovano nelinearnom priroom ionog ispravljaa. Talasni oblik struje

sari peti i semi harmonik sa vrijenodu oko 15% i 7%, respektivno, kako je prikazano u

harmonikom spektru.

Zbog harmonika u struji statora, talasni oblik obrtnog momenta generatoranije idealnog

oblika. Dominantni harmonik obrtnog momenta je esti harmonik (10%), koji je vedinom

proizveen strujnim harmonicima petog i semog rea. Ovo je jena o najvedih mana

vjetrogeneratora baziranih na ionom ispravljau. Valovitost (njihanje) obrtnog momenta

moe takoer uzrokovati mehanike vibracije i torzijske rezonancije u velikim

vjetrogeneratorima.

Zbog upotrebe ionog ispravljaa, sinhroni generator sa trajnim magnetima rai sa

faktorom snage priblinim jeininom. Ipak, sinhroni generator sa trajnim magnetima moe

a ne bue u mogudnosti a proizvee nazivnu snagu prilikom raa sa jeininim faktorom

snage. Da bi se rijeio problem, sinhroni generator sa trajnim magentima treba biti

reizajniran. Za pojenostavljenje, problem moe biti ublaen smanjenjem inuktiviteta i

q-ose sinhronog generatora sa trajnim magnetima na 20% svoje originalne vrijednosti.


48/80

47

Slika 2.3.4: Uzlazni istosmjerni konvertor u vjetrogeneratoru sa sinhronim generatorom

a) Talasni oblici

b) Spektar harmonika

Slika 2.3.5: Talasni oblici struje i napona generatora pri nazivnim radnim uslovima


49/80

48

2.3.6. Regulacija reaktivne snage vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom

Ovo poglavlje se fokusira na nekoliko pitanja vezanih za regulaciju reaktivne snage

vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom, ukljuujudi razvojenu regulaciju aktivne i

reaktivne snage kao i efekat napona mree i konvertora na maksimalnu snagu koja se aje u

mreu.

2.3.6.1 Analiza reaktivne snage vjetrogeneratora sa sinhronim generatorom

Analizirana je regulacija reaktivne snage na strani mree, te su ispitani efekti varijacije

mrenog napona. Da bi se ilustrirovala regulacija reaktivne snage, vjetrogenerator sa

sinhronim generatorom, koji je prikazan na Slici 2.3.1, je koriten kao primjer. Parametri

sistema su prikazani u Tabeli 5, s tim da je referentni istosmjerni napon poeen na 2,94 p.u.

U analizi je pretpostavljeno sljeede:

1)

Invertor je idealan bez gubitaka snage

2) Vrijednosti snage i napona za invertor je 2 MVA/690 V (1,0 p.u.)

3) Efekat strujnih/naponskih harmonika na aktivnu i reaktivnu snagu je zanemaren.

Pretpostavljeno je da za datu brzinu vjetra, generator radi pri brzini rotora od 0,8 p.u..

Aktivna snaga na strani mree i maksimalna reaktivna snaga koju invertor moe

omoguditi su izraunate sa (95):

Slika 2.3.6 prikazuje simulirane talasne oblike. Aktivna snaga sistema je orana na -0,512

p.u. (znak minus upuduje na to a je snaga isporuena o invertora u mreu). Reaktivna

snaga u mreu prati svoju referencu (nije prikazano) i poie se pri t=0,5 s na svoju

maksimalnu pozitivnu vrijednost od +0,859 p.u. Zatim se smanjuje pri t=1,5 s na svoju

maksimalnu negativnu vrijednost od -0,859 p.u. Aktivna snaga u mreu se oravakonstantom tokom poeavanja reaktivne snage.


50/80

49

Slika 2.3.6: Razdvojena regulacija aktivne i reaktivne snage pri

Talasni oblik struje afaze mree se mijenja sa reaktivnom snagom. Njegova amplituda je

(vrijednost) kada je i , [ ] .

Istosmjerni napon je reguliran od strane invertora, i ne varira sa promjenama reaktivne

snage.

Slika 2.3.7 prikazuje proirene talasne oblike stacionarnog stanja napona i struje mree oko

t=1,0 s i oko t=2,0 s . Faktor snage, u sluaju a

prenjai ili zaostaje, je prikazani na Slici 2.3.7, gje struja mree zaostaje za 120,8 ili

prenjai naponu istim uglom (slika 2.3.7b). Invertor rai po procjenjenim uvjetima kaa su

i struja i napon 1,0 p.u.. Aktivna, reaktivna i privina snaga na strani mree se mogu

izraunati pomodu (96):


51/80

50

Ogovarajudi fazorski ijagram sistema je prikazan na slici 2.3.7c.

a) Zaostaje induktivni faktor snage

b) Prenjai kapacitivni faktor snage

c)

Fazorski dijagram


52/80

51

Slika 2.3.7: Talasni oblici na strani mree i fazorski ijagram pri

Maksimalna reaktivna snaga koja moe biti injektirana u mreu je ograniena sa

vrijenodu snage invertora. Slika 2.3.8 prikazuje vezu izmeu i brzine generatora

sa pradenjem take maksimalne snage. Generalno, opaa sa povedanjem . Kada

generator rai pri brzini o 0,5 p.u. sa nazivnim mrenim naponom u taki A, kao na Slici

2.3.8a, aktivna snaga isporuena u mreu je 0,125 p.u. a maksimalna reaktivna snaga je

0,992 p.u.. Pri , maksimalna reaktivna snaga, koja se aje u mreu, je 0,859

p.u.. U taki C, invertor isporuuje svoju nazivnu aktivnu snagu u mreu i zato nema oatnu

mogudnost za proizvodnju reaktivne snage.

Maksimalna reaktivna snaga opaa sa smanjenjem mrenog napona. Slika 2.3.8a prikazuje

takav sluaj, gje je mreni napon reduciran na 0,8 p.u.. S obzirom da je aktivna snaga

sistema orana konstantnim pradenjem take maksimalne snage, reukcija mrenog

napona uzrokuje povedanje aktivne komponente struje mree, a reucira reaktivnu snagu.

Da bi se povedao kapacitet proizvonje reaktivne snage vjetrogeneratora, konvertori trebaju

biti veliki. Slika 2.3.8b prikazuje vezu izmeu i kada je vrijednost struje invertora

povedana 20% a bi se zaovoljili vedi zahtjevi za reaktivnom snagom.

Slika 2.3.8: Efekt promjene mrenog napona i upotrebe velikog konvertora na


53/80

52

2.3.6.2 Vjetrogeneratori, koji koriste strujne konvertore sa regulacijom

reaktivne snage

Slika 2.3.9 prikazuje blok-dijagram sistema, u kome je regulacija aktivne snage postignuta

ispravljaem preko regulacije obrtnog momenta generatora, a regulacija reaktivne snage i

istosmjerne struje su realizirane invertorom.

Za regulaciju invertora, izmjereni su naponi konenzatora i trofazne mree. Izmjereni mreni

naponi u abc koordinatnom sistemu su transformirani u varijable dq koordinatnog sistema

koristedi ugao mrenog napona i abc/dq transformaciju. Referenca za struju q-ose mree(reaktivna) je dobijen prema referentnoj reaktivnoj snazi . Referentna struja d-ose

mree (aktivna) je generisana PI regulatorom istosmjerne struje.

Slika 2.3.9: Vjetrogenerator sa sinhronim generatorom i strujnim konvertorom sa regulacijom

aktivne i reaktivne snage

Reference za IM struje q-osa invertora, i mogu se pronadi iz (97):


54/80

53

gdje je frekvencija mree, i struje dq-osa kondenzatora, dobijene iz stacionarnog

modela. Bazirano na i , amplitua IM struje invertora i ugao kanjenja invertora

se mogu izraunati iz transformacije Kartezijevih u polarne koorinate (98):

Indeks modulacije invertora je izraunat ijeljenjem IM referentne struje sa

izmjerenom istosmjernom strujom . Proslijeena je IM generatorskom bloku invertora

zajedno sa , gdje je ugao IM struje invertora.

a) Faktor snage prenjai b) Faktor snage zaostaje

Slika 2.3.10: Eksperimentalni rezultati dobijeni iz laboratorije vjetrogeneratora sa sinhronim

generatorom sa trajnim magnetima i strujnim konvertorom

Da bi se odredila referentna istosmjerna struja , referentne istsomjerne struje na strani

ispravljaa i invertora, i , trebaju biti razmotrene. Referenca na strani ispravljaa


55/80

54

je obijena ijeljenjem IM referentne struje ispravljaa sa svojim maksimalnim

indeksom modulacije . Referenca na strani invertora je izraunata ijeljenjem

referentne struje invertora sa svojim maksimalnim indeksom modulacije .

Upotreba maksimalne moulacije povedava prenjaenje minimalne istosmjerne struje i

moe smanjiti ukupne gubitke konvertora. Dvije izraunate referentne istosmjerne struje,

i , su obino razliite. Izabrana je veda vrijenost referentne istosmjerne struje od

strane MAX bloka da bi se osigurao pravilan rad sistema.

Slika 2.3.10 prikazuje eksperimentalne rezultate dobijene iz male laboratorije za

vjetrogeneratore sa sinhronim generatorom sa trajnim magnetima, uz koritenje strujnih

konvertora, gdje su i meulinijski mreni napon i struja faze a, respektivno.

Eksperimentalni sistem je razvijen prema emi regulacije na Slici 2.3.9. Sistem rai pri brzini

rotora o 0,7 p.u. sa faktorom snage, koji prenjai ili zaostaje.

3. Solarni kolektori

3.1 Konfiguracija PV sistema

Fotonaponska (PV) tehnologija koristi se za irektno pretvaranje solarne enrgije u elektrinu

energiju koritenjem solarnih delija. Solarne delije su preteno graene o poluprovonikih

materijala kao to su kristalni silicij koji apsorguje sunevu svjetlost koju proizvodi u

elektrinu energiju procesom nazvanim fotonaponski efekat. Efikasnost solarne delije se

oreuje po svojoj sposobnosti a pretvori ostupnu sunevu svjetlost u korisnu elektrinu

energiju i krede se oko 10% -15%. Za proizvonju vedih koliina elektrine energije solarne

celije moraju biti viih imenzija. Solarne celije se obicno grupiu(kombinuju) u moule, koji

se sastoje o 36 o 72 celije u zavisnosti o izlaznog napona i struje. Veliina moula varira,

stanarne veliine se kreduod 0.5 do 1m2koje generiu oko 100W/m2 energije tokom

sunanih ana pri efikasnosti moula o 10%. Osim toga, mouli mogu biti grupisani zajenou razliitim koliinama i konfiguracijama (kao to je objanjeno u sljeedem ijelu) u obliku

polja s jedinstvenim naponom. Razlika izmeu moula i polja je vana pri razmatranju snage

elektronskog meusklopa (interfejsa), proizvoai elektronike izajniraju svoje proizvoe

koristedi usmjerene moule. Slika 2 prikazuje stanaran (PV) panele koje su meusobno

poreani u jean re. Za PV sistem izlazni napon je konstantan (DC), ija veliina zavisi o

vrste sistema na koji je solarna celija spojena. U drugu ruku trenutni izlaz iz PV sistema zavisi

o ostupne suneve svjetlosti. Glavni zaatak elektronskog ijela fotonaponskog sistema je

da pretvori generisani DC napon u AC napon koji odgovara krajnjim korisnicima. Generalno,

vanost DC napona fotonaponskih celija a bue poeen na viu vrijenost koritenjem DC-DC pretvaraa prije konverzije u ogovarajudi napon prilagoen potroau (AC). DC-AC


56/80

55

invertori se poslije koriste za pretvaranje napona na 60 Hz AC. Proces kontrole izlaznog

napona i struje mora biti zasnovan na vremenskim uvjetima. Algoritmi za kontrolu

upravljanja su zasnovani na tzv. takama maksimalne snage (MPPT) koji stalno izbacuju

maksimalnu koliinu energije iz polja po razliitim uslovima. Kontrola procesa upravljanja

(MPPT) i proces povedanja napona su obino implementirani u DC-DC kovertoru, dok se DC-AC invertor koristi pri kontroli trenutnog stanja mree.

Slika 3.1 Fotonaponski paneli (PV) (NREL 2008)2 Konfiguracija sistema Solarni kolektora

Fotonaponski mouli (PV) su meusobno spojeni u nizove kako bi proizveli to vede koliine

elektrine energije. Niz fotonaponskih moula je povezan u sistem koji se sastoji od

pretvaraa za pretvaranje generisane DC komponente u AC komponentu pogonu za krajnje

korisnike. Pretvara fotonaponski sistema (PV) obavlja mnoge funkcije. Pretvara posjeuje i

zatitne osobine za predenje mree i PV izvora, mogude je izolirati PV sistem ukoliko se pojavi

greka na mrei. Pretvarai prate prikljune uvjete PV moula i sari MPPT za pradenje

maksimalne energije. MPPT orava fotonaponsko polje na najvioj mogudoj efikasnosti, uirokom rasponuod ulaznih uvjeta koji mogu varirati zbog dnevnnih (jutro-podne-naveer) i

sezonskih (zimske-ljetne) varijacija. PV sistem moe biti ureen u nekolikooperativnih

konfiguracija. Svaka konfiguracija ima osnovni elektronski meusklop (interfejs) koji

meusobno povezujesistem na distributivnu mreu. Slika 3 prikazuje konfiguraciju gdje je

centralni pretvaraiskoriten. Ovo prestavlja najedu izvebu PV instalacije u prolosti. PV

moduli su povezani u seriju i/ili paralelno, spojeni su na centralni DC-AC konvertor. Glavna

prednost ovog dizajna je injenica a akopretvaraje najskuplji dio instalisanog

fotonaponskod (PV) sistema, ovaj sistem ima najniucijenu dizajn zbog prisutnosti samo

jednog pretvaraa. Osnovni nedostatak ove konfiguracije je da gubici snage mogu biti visoki


57/80

56

zbog nesrazmjera izmeuPV modula i prisutnosti string diode. Drugi nedostatak je da je ova

konfiguracija ima jednu takukvara na pretvarau, dakle ima manju pouzdanost.

Slika 3.1.1 Konfiguracija PV sistema

Slika 4 pokazuje konfiguraciju niz-polje PV sistema. Serija PV panela su povezani u obliku

jednog niza. Tipino, 15 panela je nanizano zajedno u seriju koji su povezani preko jednog

pretvaraa po nizu. Glavna prednost ove topologije je da ne postoje gubici povezani sa string

diodama i pokazivai maksimalne snage take se mogu primijenitiza svaki niz. To je posebno

korisno koa vienizova koji su montirani na fiksnim povrinamasa razliitimorijentacijama.

Nedostatak ove konfiguracije je povedani troakzbog dodatnih pretvaraa. Ulazni napon

dolazi iz PV nizova dovoljno je visok da bi se izbjegla potreba za pojaanjemnapona. Kao to

je cijena PV modulaje jo uvijekprilino skupo, pojaanje naponamoe sezbrajati zajedno

sa pretvaraem kako bi seomogudilomanje modula spojenih na pretvara. Vienizovni

pretvaraiimaju nekoliko nizova koji su povezati sa svojim vlastitim DC-DC pretvaraem za

povienje napona,a zatim spojeni na zajenikuDC sabirnicu. Zajeniki DC-AC pretvarase

koristi za korisni meusklop (interfejs).Vienizovni PV sistem je prikazan na slici 4 (b).

(a)


58/80

57

(b)

Slika 3.1.2 (a). PV paneli u nizu sa pojedinim pretvaraem, (b). PV paneli sa vie nizovnom

konfiguracijom

Slika 5 pokazuje konfiguraciju gje svaki PV moul ima vlastiti pretvara. Ovaj izajn je

poznat kao AC moul. Prenosti ove vrste sistema su lako oavanje moula iz razloga to

svaki modul ima vlastiti DC-AC pretvara i prikljuak na korist vri spajanje pretvaraa AC

polja i aljnih elektrinih voova. Postoji takoerukupni napredak u pouzdanosti sistema jer

ne postoji niti jedan takakvara za rad postrojenja. To je vrlo fleksibilan i podesiv dizajn

topologije, meutim prethodni primjeri ove konfiguracije su jo uvijekskuplji od

konvencionalnih PV sistema zbog povedanogbroja pretvaraa. Gubitak snage u sistemu je

smanjena zbog smanjene neusklaenostiizmeumodula, ali stalni gubici u pretvaraumora

biti isti kao i u string pretvarau. Energetska elektronika obinose montira izvana zajedno saPV panelima i trebaju biti dizajnirana da radi u vanjskom okruenju. AC-modul ini se

perspektivna opcija za buudidizajnjer se moekoristiti kao dodatak ureaju, koji se oaje

od strane pojedinaca bez posebnog znanja.


59/80

58

Slika 3.1.3. AC-Modul napajanja elektronike konfiguracija

3.2 Topologija sistema koji obuhvataju elemente energetske elektronike kod

Solarnih kolektora

Topologija energetske elektronike za PV sisteme moe biti kategoriziranna osnovu broja

napajanih faza, lokacija energije razdvajanja kondenzatora, iskoritenostitransformatora, te

vrste mrenihmeusklopova (interfejs). Osnovna podjela temelji se na broju pretvaraa

izlaznih faza pa razlikujemo sleede.

3.2.1 Jednofaznijednostepeni

Najbitnija topologija za PV pretvaraje jednofazni, samo komutirani PV sistem kao to jeprikazano na slici 6.DC izlaz iz niza PV sistema je spojen preko filter kondenzatora.

Kondenzator se koristi za ograniavanjeharmonika struje u sistemu. Izlaz kondenzatora

povezuje sa punovalnim pretvaraem iizlaz pretvaraaprikljuen nainduktor (zavojnicu),

ograniavanjevisoke frekvencije harmonika ubrizgava u AC sistem. Umjetni AC izlazni napon

je proizveden od strane ogovarajudekontrole prekiaai sastoji se od kontroliranog niz

pozitivnih i negativnih impulsa koji odgovaraju pozitivnim i negativnim polovinama periode u

sinusoii. Za omogudavanjerada pri ili neposredno za jedinstven faktor snage, prekiaisu

kontrolirani kao reakcija na mjerenje PV niza, prekiaikontroliraju reakcije na izmjerene

izlazne napone PV niza, u svrhu proizvonju eljenogAC izlaznog napona. Sklop za faznozatvorenu petlju (PLL) se koristi za sinhronizaciju pretvaraaizlaznog napona na mreu. PV


60/80

59

niz je spojen na mreupreko elektrinogizolacionog transformatora. Postoji nekoliko

nedostatka pri ovoj topologiji, jedan je da su svi moduli spojen na isti MPPT ureajto

uzrokuje tekegubitke napajanja tokom jeliminesjene.

Slika 3.2.1. Jednofazni jednostepeni PV sistem energetske elektronike

3.2.2 Jednofaznivisestepeni

Da bi se izbjegla pozamana nisko-frekventna transformacija, koja se smatra kao slaba

komponenta, uglavnom zbog njihove relativno velike veliinei niske efikasnosti, viestepene

(dva stepena) konverzije sistema se nairoko koristiza PV generacije. Najedi dvofaznetopologije sastoje od DC-AC mrenog prikljunog naponaizvora (PWM) pretvaraas nekom

vrstom DC-DC pretvaraaprikljuenihPV modula. U cjelini, DC-DC pretvaravrimaksimalno

pradenjePower Point (MPPT) i pojaanje napona.DC-AC puno mosni pretvaraakontrolira

trenutnu mreuuz pomoduPWM ili "bang-bang" rad. Jednostavan dizajn za viestepeni PV

pretvara je prikazan na slici 7, koji koristi visoke frekvencije transformatora za jednofazno

prikljuenje na mreu. Ulazni DC napon je invertovan da proizvodi visoke frekvencije AC

preko primarni od visoke frekvencije transformatora. Sekundarni napon transformatora

ispravlja. Transformatora srednjeg napona ispravlja i rezultira DC izlaz je povezan sa mrenim

naponom preko linijskih frekvencija i linijskih napona komutiranih tiristorski pretvaraa.Kako liniska struja zahtijeva da bude sinosoidalna i u fazi sa liniskim naponom, inijski napon

valnog oblika se mjeri za utvrivanjereferentnog valnog oblika za sinusoidalne liniske struje

ijaamplituda oreujevrnu snaguza pradenjeupravljakog sklopa. Pretvara se moe

upravljati pomodutrenutnim propisima oreenimod strane kontrolera. Postoje nekoliko

topologija jednofazni sistema, dvostepena mreapovezana preko pretvaraakao to se

moenadi uBlaabjerg, Chen i Kjaer.


61/80

60

Slika 3.2.2. Jednofazni viestepeniPV sistem

3.2.3 Trofazni

Za vede ssistemepreko 10kW, najede se koriste trofaznipretvarai. Sve konfiguracije

opisane za jednofazn prikljuk moese koristiti za tri faze. Ponovno, izolacija iz mreese

moe obaviti bilokoritenjemlinija frekvencije transformatora ili visoke frekvencije

transformatora. U posljenjem sluaju, dodatni pretvara je potreban za pretvaranje DC iz

PV na visoke frekvencije AC.

Slika 8 prikazuje tipinutopologiju za trofazni PV ipretvarakoritenjelinijske frekvencije

trofaznog transformatora. DC izlaz PV niz je spojen preko filter kondenzatora. Izlazkondenzatora spaja na ulaz u naponu izvora trofaznog pretvaraa. Izlaz svake faze pretvaraa

prikljuen naprigunicui kondenzator a se ograniina visoke frekvencije harmonika koje

ubacuje u AC sistem. Umjetni AC izlazni napon se dobiva na ogovarajudi nainpri kontroli

prekiaa .Trofazni transformator se onda koristi za spajanje koristi.

Slika 3.2.3. Trofazni PV topologija sa transformatorom liniske frekvencije


62/80

61

Razliiteizvedbe bez transformatora mogu se koristiti za PV sisteme, meutim, takva

topologije su vieza europske zemlje i Japan gdje sistem uzemljenja nije obvezna za PV

pretvarae. U Sjeinjenim Amerikim Dravama, National Electrical Code (NEC) lanak 690

zahtijeva da PV moduli budu uzemljeni i koji prate zemljospoj kada izlazni napon od PVmodula osegne oreenu razinu(npr. 50 V). Samo nekoliko transformatora, ije topologije

visoko ulaznih napona mogu biti uzemljene i na ulazu i na izlazu sejo nije poznato. Moderni

pretvaraiimaju tendenciju da koriste visoko frekventne transformatore sa galvanskom

izolacijom. Ova tehnologija rezultati u cijelosti novim dizajnom, poput tiskanih ploica(PCB)

integrirane magnetske komponente. Jedan takav dizajn je prikazan na slici 9, gdje su

transformatori ugraeniu visoke frekvencije DC-DC pretvaraa.Takav topologijaje takoer

vrlo korisno za vienamjenskim-string konfiguracijama, gdje svaki string moe biti spojeni na

zajenikuDC sabirnicu, a zatim pretvaraju za mreukompatibilan AC koristedijedan DC-AC

pretvara.

Slika 3.2.3.1. Vie-string PV topologija sa transformatorom visoke frekvencije -na temelju

izolacija

3.3 Uopstena struktura sistema energetske elektronike i sistem kontrole kodSolarni kolektora

Iz prethodnog potpoglavlja, moe se primijetitida je najviegeneralizirani model energetske

elektronike topologije za fotonaponske primjene je DC-DC pretvarasa ugraenim

transformatorima visoke frekvencije, zajedno s DC-AC pretvaraemkao to je prikazanona

slici 9. U principu, MPPT i pojaanja naponasu uinilida je DC-DC konverter kontroler.

Kontrola snage protoka koristi i zajenikog sinusnog faktora snage, struje se dovode na

korisnost koje su proizveden od strane DC-AC pretvaraakontrolera. Pojednostavljen blok

dijagram PV sistema sa energetskom elektronikom i kontrolom je na slici 10.


63/80

62

Slika 3.3. Generalizirana energetska elektronika i kontrola od PV sistema

Sklopovi energetske elektronike prikazani na slici 10 sastoji se od DC-DC pretvara i trofaznih

pretvaraa. DC-DC pretvara se temelji na trenutnom izvoru punomosnog invertora sa

ugraenimtransformatorom visoke frekvencije i ispravljaem. Kao to je ovajpretvara

ukljuujegalvanske izolacije izmeuPV niza i mree,PV stringovi se mogu lahko uzemljiti pri

emu je kompatibilansa NEC. Ulazna faza izvora je koristna jer smanjuje potrebu za filterom

kondenzatora paralelno spojen sa PV string-om. Nadalje, diode ukljuene uispravljasu

trenutno-komutirane, ukljuujudii niskonaponsko naprezanje. Napon iz PV string-a se prvo

pretvara u visoke frekvencije AC, galvanska izolacija sa povienim naponomje ostvaren kroz

koritenjevisoke frekvencije transformatora. Sekundarni napona transformatora je

otklonjen pomodupunomosnog diodnog ispravljaa. Ispravljeni DC se pretvara za mreu

kompatibilan AC i spojen na korisnost preko trofaznog naponskog invertora. Pradenje

najvede snagetake (MPP) od PV nizaje obinobitan dio PV sistema. Tokom godina, mnogi

MPPT metodi su razvijeni i implementirani. Ove metode se razlikuju u sloenosti, potrebni su

senzori, brza konvergencija, cijena, uina efikasnosti, ugradnja hardvera, itd imena nekih odtih metoda su inkrementalna provodnost, kontrole neuronskih mrea, kontrola valovitosti

korelacija itd. Detaljan pregled tih MPPT metoda moe se nadi uT. Esram i PL Chapman

"Usporedba fotonaponskog polja najviimPower Point pradenjatehnike.

Na slici 10 prikazan je jenostavan ali uinkovit nain za MPPT.Mjerenjem napona i struje

stringa, izlazna snaga PV niz je izraunatai uporeena u onosu nastvarnu izlaznu snagu PV

niza. Ovisno o rezultatima usporedbe, radni ciklus je promijenio kontrolu ulazne struje

shodno vrijednosti na invertoru. Ovaj proces se ponavlja dok se ne postigne maksimalna

snaga toke. Ostale vrsteMPPT regulatora se takoer moe razvitiunutar istog upravljakog

sklopa. Nadalje, dodatni kontroleri mogu biti dizajnirani za kontrolu amplitudu visokefrekvencije AC napona na primarnoj strani transformatora.


64/80

63

Postoje dva osnovna upravljakamodela za mreni prikljuak invertora. Jean o njih je

konstantna kontrola struje, a druga je stalna kontrola snage. Jo uvijek je iskutabilno a bi

pretvarau trebalo biti oputenoda regulira napon tokom raa mree. Standard IEEE 1547

ne oputaaktivno rasporeivanje generisanog napona, ok nekiljudi u industriji ukazuju da

regulacija napona moeimati pozitivan uticaj na mreu. Kontrolakoristi se spaja invertoromkoji je prikazan kao konstantan nadzor snage (vidi sliku 10). Mnoge funkcije za upravljanje

praktinih pitanjanisu prikazane u ijagramu kao to sunegativni slijed propisa, DQ

razdvajanje itd. Unutarnja sreinjapetlja regulira struju, a druga kontrola petlja regulira

snagu. U nekim sluajevima, referentna jalova snaga Qref moe bitireferentni faktor snage.

Kontrolom Qref , dodavanjem nove struje korist moe oravatijedinstven faktor snage.

Takoer, varijacije konstantne snage mogu provoditi oravanjesabirnice invertora DC

napon na konstantnoj vrijednosti. U tom sluaju, aktivna snaga

primjena energetske elektronike na obnovljive izvore energije(1)

Documents