HYBRYDOWE ŹRÓDŁO ENERGII ELEKTRYCZNEJ O ZMIENNEJ, REGULOWANEJ W FUNKCJI OBCIĄŻENIA, PRĘDKOŚCI WIROWANIA

LECH M. GRZESIAK , WŁODZIMIERZ KOCZARA, PAWEŁ POŚPIECH

 1. Wstęp

W konwencjonalnych autonomicznych źródłach energii (agregatach prądotwórczych) stosowany jest zazwyczaj generator synchroniczny napędzany wysokoprężnym silnikiem spalinowym pracującym ze stałą prędkością obrotową. Najczęściej stosowane są prądnice o dwóch parach biegunów co narzuca konieczność pracy z prędkością obrotową równą 1500 obr/min w celu uzyskania częstotliwości 50Hz (1800 obr/min dla 60Hz). Niska prędkość obrotowa powoduje, że gabaryty urządzenia są stosunkowo duże. Układ taki nie zapewnia dobrej jakości napięcia wyjściowego przy skokowych zmianach obciążenia (zmiana częstotliwości i amplitudy). Także w przypadku dołączenia odbiorników nieliniowych następuje znaczące odkształcenie napięcia wyjściowego będące wynikiem istnienia stosunkowo dużej wewnętrznej impedancji źródła (generatora). Teoretycznie układ taki może być obciążany w sposób ciągły odbiornikami o sumarycznej mocy od 0 do mocy znamionowej. Praktycznie nie jest jednak możliwe optymalne wykorzystanie silnika Diesla w tak szerokim zakresie zmian obciążeń. Producenci wysokoprężnych silników spalinowych zalecają unikanie pracy z małymi obciążeniami (poniżej 40% wartości znamionowej) ze względu na niekorzystne warunki spalania, co powoduje nadmierne mechaniczne zużycie silnika. W praktycznych rozwiązaniach stosowane są często proste zabiegi polegające na dołączaniu dodatkowego sztucznego obciążenia w okresach pracy, w których zapotrzebowanie na moc ze strony użytkownika jest niewielkie. Niekorzystnym efektem takiego postępowania jest zwiększone zużycie paliwa przypadające na jednostkę wyprodukowanej użytecznej energii, a więc także wyższe koszty jej wytwarzania.

Rozwój energoelektroniki i mikrokomputerów stwarza nowe możliwości w zakresie konstrukcji i optymalizacji układów generujących energię elektryczną. Produkowane obecnie wysokoprężne silniki spalinowe   i  generatory   elektromechaniczne  mogą  pracować  z wysokimi znacznie przekraczającymi 3000 obr/min prędkościami wirowania. Zastosowanie takich nowoczesnych technologii pozwala w istotny sposób zmniejszyć gabaryty urządzeń generujących energię elektryczną oraz zdecydowanie poprawić jej jakość.
Zmieniająca się w funkcji obciążenia prędkość wirowania zapewnia optymalne warunki pracy silnika spalinowego.   Ograniczone zostaje  zużycie  paliwa, a tym samym koszt wytwarzanej energii elektrycznej. Energoelektroniczne przetwarzanie energii gwarantuje dobrą jakości napięcia wyjściowego w stanach ustalonych oraz przejściowych. Częstotliwość napięcia nie zależy w tym przypadku od prędkości generatora i może być precyzyjnie kontrolowana i stabilizowana. Mikrokomputerowe układy dają możliwość efektywnego realizowania nawet skomplikowanych algorytmów regulacji. Uzyskuje się wysoką jakość generowanej   energii   oraz   elastyczność  systemu  w szerokim zakresie obciążeń.
W artykule  zaprezentowano nowoczesne autonomiczne hybrydowe źródło energii elektrycznej. Istota rozwiązania polega na zastosowaniu zmiennej prędkości generatora napędzanego przez silnik spalinowy, automatycznie regulowanej w zależności od wartości obciążenia. Omówiono zasadę pracy urządzenia oraz podstawowe funkcje sterowania. Zamieszczono wyniki badań układu modelowego o mocy znamionowej 11kVA.

2. Autonomiczne hybrydowe źródło energii elektrycznej o regulowanej prędkości wirowania.

2.1. Budowa

Schemat   blokowy   hybrydowego   źródła  energii  o regulowanej prędkości generatora jest przedstawiony na rys.1. Podstawowe źródło energii stanowi silnik Diesla sprzężony z 3-fazowym generatorem napięcia przemiennego do którego dołączony jest impulsowy przekształtnik sterowany AC-DC. Zespół dodatkowego źródła energii zawiera baterię akumulatorów oraz dwukierunkowy przekształtnik DC-DC. Wyjścia obu zespołów są dołączone do wspólnego obwodu pośredniego napięcia stałego, z którego zasilany   jest  przekształtnik  DC-AC  współpracujący  z filtrem LC. Na wyjściu uzyskuje się stabilizowane napięcie przemienne o zadanej częstotliwości i amplitudzie.
 



Rys. 1.  Schemat blokowy hybrydowego źródła energii elektrycznej o regulowanej prędkości wirowania.


 


Sterowanie realizowane jest w technice mikrokomputerowej.   Zastosowano   trzy   pakiety  z mikrokontrolerami SAB80C517A. Moduł uC-1 służy do sterowania zespołem podstawowego źródła energii   i  realizuje  algorytmy  kontroli  prędkości  i momentu obciążenia silnika spalinowego. Moduł uC-3 steruje falownikiem PWM realizując algorytm nadążnego kształtowania sinusoidalnego napięcia wyjściowego. Moduł uC-2 pełni funkcję komputera nadrzędnego oraz kontroluje pracę dodatkowego źródła energii. Połączony z nim panel sterowania lokalnego, zaopatrzonym w wyświetlacz i przyciski sterujące, umożliwia operatorowi wybór trybu pracy oraz wyświetlanie istotnych informacji o stanie sterowania blisko obiektu sterowanego oraz zastosowanie łączy światłowodowych do wymiany informacji pomiędzy poszczególnymi subsystemami sterowania, skutecznie eliminuje problemy zakłóceń elektromagnetycznych. System mikrokomputerowy uC-2 poprzez interfejs RS 232 połączony jest łączem światłowodowym z komputerem typu PC. Umożliwia to prowadzenie zdalnego sterowania oraz monitorowanie systemu hybrydowego źródła energii elektrycznej.

2.2. Zasada działania

W zależności od dołączonego obciążenia można wyróżnić cztery tryby pracy urządzenia różniące się rozpływem mocy pomiędzy podstawowym i dodatkowym źródłem energii oraz obciążeniem. Na rys. 2. przedstawione są poszczególne tryby pracy z zaznaczonym rozpływem mocy czynnej i biernej dla stanu ustalonego. Rys.2a przedstawia tryb pracy dla przypadku gdy moc pobierana przez dołączone odbiorniki jest większa od mocy znamionowej podstawowego źródła energii, tzn. generatora napędzanego silnikiem Diesla. W takim przypadku silnik pracuje z maksymalna prędkością dostarczając do magazynu energii w obwodzie pośredniczącym moc równą mocy znamionowej. Dodatkowo z baterii akumulatorów jest przekazywana do obwodu pośredniczącego (magazynu energii) moc niezbędna do utrzymania stałego napięcia w tym obwodzie. W konsekwencji  zachowany  zostaje  bilans  mocy  zgodnie  z zależnością:
Pg+Pb-Po = 0

przy czym: Pg - moc generatora
Pb - moc baterii
Po - moc odbiorników.

W przypadku gdy moc odbiorników jest mniejsza od mocy znamionowej generatora, silnik pracuje z prędkością obrotową zależną od wielkości obciążenia. Możliwe są wówczas kolejne dwa różne tryby pracy. Jeśli bateria akumulatorów nie jest w pełni naładowana to generator dostarcza do obwodu pośredniczącego energię potrzebną do kontrolowanego ładowania akumulatorów oraz pokrycia zapotrzebowania na moc dołączonych odbiorników. Jest to przedstawione na rys.2b.