Razpršena proizvodnja iz obnovljivih virov v enosmernih porabniških omrežjih

Transcription

1 Elektrotehniški vestnik 71(4): , 2004 Electrotechnical Review; Ljubljana, Slovenija Razpršena proizvodnja iz obnovljivih virov v enosmernih porabniških omrežjih Valentin Ažbe, Rafael Mihali Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Tržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta:tinea@leoants.fe.uni-lj.si Povzetek. lanek obravnava tehnine možnosti obratovanja enosmernih nizkonapetostnih porabniških omrežij z razpršeno proizvodnjo iz obnovljivih virov. V nasprotju z veino obstojeih nizkonapetostnih omrežij, ki obratujejo pri izmenini napetosti 230 V in 50 Hz oz. 110 V in 60 Hz, smo predpostavili obratovanje omrežja z enosmerno napetostjo. lanek prikazuje naine prikljuitve posameznih naprav na enosmerno omrežje ter principe regulacije napetosti in pretokov moi. Za priklop na enosmerno omrežje smo prouili posamezne vire, to je sonne celice, vetrne turbine in gorivne celice. Ugotovili smo, da za priklop potrebujemo pretvornike DC/DC, ki skrbijo za optimalno delovanje virov in za pretok moi v omrežje. Prav tako smo prouili akumulator, ki poleg shranjevanja elektrine energije opravlja tudi funkcijo vzdrževanja stabilne napetosti omrežja. Za prouevanje razmer v obravnavanem omrežju smo izdelali model omrežja za digitalno simulacijo s programom PS CAD / EMTDC. Rezultati digitalne simulacije so pokazali pravilnost predpostavke, da akumulator skupaj s pretvornikom DC/DC lahko zagotavlja stabilno napetost omrežja, pretvorniki DC/DC poleg virov pa zagotavljajo obratovanje virov z najvejim izkoristkom. Glavna ugotovitev prouevanja je, da je obratovanje izoliranega enosmernega porabniškega omrežja, ki je napajano z razpršeno proizvodnjo iz obnovljivih virov, povsem mogoe. Centralna regulacija in komunikacija med posameznimi enotami pri tem nista potrebni. Kljune besede: Razpršena proizvodnja, obnovljivi viri, enosmerna omrežja, pretvorniki DC/DC Dispersed power generation from renewable sources in DC distribution networks Extenden abstract. The paper deals with DC low-voltage distribution networks operating in the island mode. The network is infed with dispersed power generation from renewable sources and combined heat and power generation units. The network energy storage provided by a lead-acid battery, which compensates for the difference between power generation and consumption. Contrary to the majority of existing low-voltage networks, operating at 230 V and 50 Hz or at 110 V and 60 Hz, we assumed a network that will operate with direct current. We analyzed technical possibilities of operating such network, methods of connecting particular devices to it and principles of voltage and power-flow control. We also examined various sources solar cells, wind turbines and fuel cells to see how they could be connected to the DC network. We found out that this could be done with DC/DC converters as they ensure optimal operation of sources and a proper power-flow to the network. We also established that batteries, which function as an energy-storage device, can provide a stable network voltage, too. In order to better understand the behavior of such networks, we developed a model of the network allowing for digital simulation with a PS CAD / EMTDC computer program. The results confirmed our expectation that a battery together with a DC/DC converter can provide a stable network voltage, whereas DC/DC converters, used for connecting sources, provide a proper power-flow to the network and ensure an optimal operation of the sources. The main finding of our research is that operation of an isolated DC network with dispersed generation is certainly Prejet 9. december, 2003 Odobren 3. maj, 2004 possible. Centralized regulation and communication between individual units are not necessary. Keywords : Dispersed generation, renewable sources, DC networks, DC/DC converters 1 Uvod V tem lanku predstavljamo možnost obratovanja enosmernega izoliranega nizkonapetostnega omrežja, ki ga napajajo obnovljivi viri. Viri so na omrežje prikljueni v razlinih tokah, kjer se nahaja tudi poraba, torej gre za razpršeno proizvodnjo elektrine energije. Glavni namen dela je raziskati tehnine možnosti obratovanja takega omrežja, ugotoviti naine priklopa posameznih virov in akumulacije na enosmerno omrežje ter prikazati osnovne principe regulacije napetosti in pretokov moi. Enosmerno omrežje je lahko tehnina in ekonomska alternativa izmeninemu porabniškemu omrežju. Elektrina energija, ki jo dobimo iz obnovljivih virov, na splošno temelji na enosmerni napetosti ali pa na izmenini napetosti s spremenljivo frekvenco. Tako izmenino napetost moramo pred nadaljnjo pretvorbo

2 230 Ažbe, Mihali6 usmeriti. Prav tako temeljita na enosmerni napetosti elektrina energija iz gorivnih celic in elektrina energija, ki jo shranjujemo v akumulator ali druge shranjevalnike elektrine energije. Izmenino elektroenergetsko omrežje, ki vsebuje prej omenjene elemente, torej potrebuje pretvornike iz enosmerne v izmenino napetost (DC/AC). e je elektroenergetsko omrežje enosmerno, lahko veji del teh pretvornikov nadomestimo s cenejšimi pretvorniki iz enosmerne v enosmerno napetost (DC/DC). Zaradi nižanja cen monostne elektronike, preproste napetostne regulacije v enosmernih omrežjih in nižjih stroškov za gradnjo enosmernih vodov ima enosmerno omrežje lahko tudi ekonomske prednosti, ki pa jih bomo natanneje ugotovili, ko bo celotno enosmerno omrežje proueno v širšem obsegu. V priujoem lanku najprej opisujemo znailnosti razpršene proizvodnje, sledi predstavitev modela omrežja ter osnovnega principa regulacije napetosti in pretokov moi ter podrobnejša predstavitev modelov virov in akumulatorja skupaj s pretvorniki DC/DC ter njihovo regulacijo, kot smo jih modelirali za potrebe digitalne simulacije s programom PSCAD/EMTDC. Na koncu podajamo rezultate digitalne simulacije, ki kažejo razmere razlinih prehodnih pojavov v omrežju. 2 Razpršena proizvodnja Razpršena proizvodnja se nahaja na mestu porabe, kar pomeni, da ni prenosa in razdeljevanja, ki v doloenih primerih lahko pomeni velik strošek. Primerjava stroškov med razpršeno proizvodnjo in napajanjem iz javnega elektroenergetskega omrežja glede na zanesljivost obratovanja kaže, da so stroški razpršene proizvodnje nižji pri zelo nizki ter pri zelo visoki zahtevani zanesljivosti. Tako ima razpršena proizvodnja prednost tam, kjer so pomembni im nižji stroški proizvodnje ob hkratni nizki zahtevani zanesljivosti ter tam, kjer je zahtevana zelo visoka zanesljivost, ki jo javno elektroenergetsko omrežje težko zagotovi [1]. Razpršena proizvodnja ima še nekatere druge prednosti. Te so: a) proizvodne enote so tovarniško izdelane, standardizirane in optimirane za doloen nain obratovanja, b) hitro in na preprost nain se glede na potrebe nadgrajujejo z dodatnimi proizvodnimi enotami in c) manjši vpliv na okolje manjša onesnaženost zraka, manjši hrup in manj daljnovodov. Naj omenimo še slabosti razpršene proizvodnje. Te so predvsem: a) lastnik proizvodnih enot mora prevzeti skrbništvo nad delovanjem, kar je lahko dokaj zahtevna naloga, b) nekatere proizvodne enote potrebujejo gorivo ponavadi zemeljski plin katerega dostava ni vedno preprosta in poceni in c) tehnologija enot za razpršeno proizvodnjo v praksi še ni povsem preizkušena [1]. 3 Obratovanje enosmernega izoliranega omrežja 3.1 Model enosmernega izoliranega omrežja Obravnavani model enosmernega izoliranega omrežja povezuje tri stanovanjske enote, ki so med sabo oddaljene 500 m. Vsaka enota naj ima svoj vir elektrine energije, ki je dimenzioniran tako, da pokriva povpreno porabo elektrine energije. Za shranjevanje elektrine energije smo uporabili svinev akumulator, ki smo ga postavili v eni izmed enot. To bi lahko bil model majhnega odronega zaselka. Ker se proizvodnja elektrine energije tako reko nikoli ne ujema s porabo, se presežek oz. primanjkljaj shranjuje oz. odjema iz akumulatorja. Omrežje mora biti dimenzionirano za najvejo obremenitev, ki nastane takrat, ko se najveja mo virov prenaša od mesta vira do akumulatorja, ali ko se najveja mo porabe prenaša od akumulatorja do mesta porabnikov. Obravnavani primer prikazuje slika 1, kjer vir 1 pomeni sonne celice, vir 2 vetrno turbino in vir 3 gorivne celice. Slika 1. Model enosmernega omrežja Figure 1. Model of a DC network Vsakega od virov smo na omrežje prikljuili prek pretvornika DC/DC, medtem ko smo veino porabnikov prikljuili na omrežje direktno brez zunanjih pretvornikov DC/DC ali DC/AC. 3.2 Izbira nazivne napetosti Izbira nazivne napetosti izoliranega omrežja je bistvenega pomena, saj vpliva na presek vodnikov, stopnjo izolacije, varnost obratovanja, kompatibilnost z obstojeimi napravami, izbor stikal in zašitnih naprav, nain obratovanja pretvornikov DC/DC ter na številne druge parametre omrežja. Za obravnavani model

3 Razpršena proizvodnja iz obnovljivih virov v enosmernih porabniških omrežjih 231 omrežja smo izbrali nazivno enosmerno napetost 230 V, predvsem zaradi manjšega preseka vodnikov ter možnosti priklopa nekaterih porabnikov, proizvedenih za priklop na izmenino napetost, direktno na omrežje. Ni pa ta napetost edina primerna, saj nam nižje napetosti npr. 110 V ali 48 V dajejo druge ugodnosti, kot na primer nižjo stopnjo izolacije, ki poceni izdelavo elektrinih aparatov in povea varnost pred elektrinim udarom. Omeniti velja še napetost 12 V, ki se uporablja v avtomobilih in za katero je izdelano veliko elektrinih aparatov, ter napetost 42 V, ki je predvidena kot nova standardna napetost v avtomobilih. 3.3 Uporaba pretvornikov DC/DC Naeloma bi enosmerno omrežje lahko delovalo tudi brez pretvornikov DC/DC in bi vire in porabnike prikljuevali direktno na akumulator. Vendar je pri takem obratovanju ve težav. Prva težava je veliko nihanje napetosti. Napetost akumulatorja niha za približno +/ 13 % glede na napolnjenost in glede na to, ali se polni ali prazni [12]. e temu prištejemo še padce napetosti na vodih, bi omrežje lahko obratovalo v mejah od +/ 20 do +/ 25 % nazivne napetosti. Druga težava je neoptimalno obratovanje virov; sonne celice ne sledijo optimalni napetosti, ki je odvisna od temperature in jakosti sonnega sevanja; hitrost vrtenja veterne turbine ne sledi hitrosti vetra in tako slabo izrabi energijo vetra, moi gorivnih celic pa brez pretvornika DC/DC ne moremo regulirati. Tretja težava je uskladitev napetostnih nivojev virov in akumulatorja. Tako so za optimalno delovanje omrežja pretvorniki DC/DC kljunega pomena. Prva naloga pretvornikov DC/DC je vzdrževanje stabilne napetosti. To nalogo opravlja pretvornik DC/DC, s katerim povezujemo omrežje in akumulator. Ta pretvornik mora biti dvosmeren, torej mora prenašati energijo iz omrežja v akumulator in narobe. Regulirana veliina je napetost na omrežni strani pretvornika. Naloga ostalih pretvornikov DC/DC je skrb za optimalno delovanje virov. Ti prenašajo proizvedeno energijo virov v omrežje. Regulirana veliina ni napetost na omrežni strani pretvornika, temve napetost oz. tok na strani virov. 3.4 Princip regulacije V nasprotju z omrežjem izmenine napetosti, kjer se pretok moi regulira s faznim kotom, se pri enosmernih omrežjih pretok moi regulira z velikostjo napetosti v razlinih tokah omrežja. Mo tee od toke z višjo napetostjo do toke z nižjo napetostjo. Tako imamo v razlinih tokah omrežja razline napetosti. Predpisi za izmenino omrežje 0.4 kv, 50 Hz predpisujejo, da mora biti obratovalna napetost v mejah od 10 % do +10 % nazivne napetosti. Podobno zahtevo bi morala verjetno izpolnjevati tudi enosmerna razdelilna omrežja. Glavno vlogo pri regulaciji napetosti ima pretvornik DC/DC, ki z omrežjem povezuje akumulator. Ta pretvornik v toki priklopa akumulatorja na omrežje ohranja konstantno napetost. Ko bi se zaradi vejih obremenitev napetost znižala, akumulator prek pretvornika napaja omrežje v takšni meri, da ohranja konstantno napetost. V primeru presežkov proizvodnje, ko bi se napetost omrežja zvišala, omrežje prek pretvornika polni akumulator v taki meri, da je napetost konstantna. Potrebna pa je neka minimalna razlika med napetostjo, kjer se kona napajanje omrežja in kjer se zane polnjenje akumulatorja. Drugi pretvorniki DC/DC, ki na omrežje prikljuujejo vire, skrbijo za pretok moi od virov k omrežju. Razmerje med vhodno in izhodno napetostjo regulirajo tako, da dosežejo želeno napetost ali želen tok vira. Pri tem se na izhodu pretvornika avtomatino vzpostavi napetost, ki povzroi, da razlika med proizvedeno mojo vira in mojo porabe tee od vira do akumulatorja. S pravilnim dimenzioniranjem presekov in s tem upornosti povezovalnih vodov lahko dosežemo, da so napetosti v vseh tokah omrežja v želenih mejah. Obravnavani model po sliki 1 predvideva prenos moi do 2.3 kw po posameznem vodu. Da ostane napetost v mejah +/ 10% nazivne napetosti, nam preprost izraun pokaže, da potrebujemo presek bakrenega vodnika 8 mm 2. Mogo je tudi tak nain priklopa akumulatorja, da je pri praznjenju akumulator direktno prikljuen na omrežje, za polnjenje pa se uporabijo enosmerni (enokvadrantni) pretvorniki DC/DC to je polnilci. Pri takem nainu priklopa napetost niha samo navzdol do 13 %. Tak nain smo tudi predvideli pri izvedbi digitalne simulacije, ki je predstavljena v nadaljevanju. 4 Priklop porabnikov na enosmerno napetost Elektrini porabniki so veinoma izdelani za priklop na izmenino napetost 230 V ali 110 V. Nekateri porabniki, ki so izdelani za izmenino napetost, lahko delujejo tudi na enosmerno napetost enake efektivne velikosti. Taki porabniki so grelci, navadne žarnice z žarilno nitko in univerzalni kolektorski motorji. Za bolj kompleksne naprave, kot je npr. pralni stroj, lahko naeloma reemo, da se njihovi posamezni deli lahko napajajo z enosmerno napetostjo, vendar bi bilo treba natanneje prouiti delovanje naprave kot celote. e pa naprave ne moremo preurediti za priklop na enosmerno napetost, jo prikljuimo prek pretvornika DC/AC. Slaba stran takega priklopa je, da je lahko pretvornik DC/AC dražji od same naprave, ki jo prikljuujemo.

4 232 Ažbe, Mihali6 5 Elektrine karakteristike virov 5.1 Sonne celice optimalna delovna napetost, ki se sproti prilagaja trenutni U/I karakteristiki sonne celice. Za potrebe digitalne simulacije so sonni moduli predstavljeni kot tokovno odvisni napetostni vir s karakteristiko po sliki 2. Slika 2. U/I karakteristika sonnega modula Figure 2. U/I characteristics of solar cells Kot se vidi iz slike 2, napetost sonnega modula ni konstantna. Pri odprtih sponkah je napetost približno 40 % višja od delovne napetosti, pri kateri proizvaja najve elektrine energije. Pri preveliki obremenitvi se napetost in s tem proizvodnja elektrine energije sesede. Optimalna delovna napetost sonne celice, pri kateri proizvaja najve energije, je odvisna od jakosti sonnega sevanja in od temperature sonne celice [5]. Manjši solarni sistemi, ki uporabljajo sonne celice za polnjenje akumulatorja, imajo sonne celice ponavadi direktno priklopljene na sponke akumulatorja in s tem doloeno delovno napetost. e hoemo, da bo napetost sonne celice tudi pri slabših pogojih to je pri visokih temperaturah in nizkem sonnem obsevanju višja od napetosti akumulatorja, morajo biti sonne celice predimenzionirane. Tako je izkoristek sonnih celic v idealnih pogojih to je ob nizkih temperaturah in visokem sonnem sevanju precej manjši od optimalnega. Glede na relativno visoko ceno sonnih celic je smiselno uporabljati pretvornik DC/DC, ki regulira napetost sonnih celic tako, da le-te vedno delujejo v toki najveje moi. To toko lahko išemo na ve nainov; z merjenjem sonnega sevanja in temperature sonnih celic, z merjenjem napetosti odprtih sponk, z merjenjem spremembe moi itd. [6,7,8]. Za predstavljeni model omrežja smo za priklop sonnih modulov na omrežje predvideli pretvornik DC/DC navzgor s pulzno-širinsko modulacijo (PWM pulse width modulation). Model sonne celice skupaj s pretvornikom za program PS CAD / EMTDC prikazuje slika 3. Želena napetost na izhodu sonne celice je Slika 3. Model sonnih celic in pretvornika DC/DC z regulacijo PWM Figure 3. Model of solar cells and DC/DC converter with PWM regulation Regulacijo pretvornika DC/DC smo izvedli tako, da razliko med želeno in dejansko napetostjo vhoda pretvornika primerjamo z žagasto napetostjo oscilatorja. Ko je napetost oscilatorja višja od razlike napetosti, dobi IGBT signal za vklop. Ko se napetost oscilatorja zmanjša pod vrednost razlike napetosti, dobi IGBT signal za izklop. Frekvenca oscilatorja je ves as 25 khz, dolžina signala prevajanja IGBT pa je tako odvisna od razlike napetosti. 5.2 Vetrne turbine Veina hišnih vetrnih turbin to so vetrne turbine moi do 20 kw uporabljajo trifazne sinhronske generatorje s trajnimi magneti, predvsem zaradi visokega izkoristka in nezahtevnega vzdrževanja [9]. Izhodna napetost generatorja je izmenina, pri emer sta amplituda in frekvenca odvisni od hitrosti vrtenja rotorja, ta pa od hitrosti vetra [10]. Za doseganje optimalnega mehanskega izkoristka mora biti hitrost vrtenja rotorja veterne turbine sorazmerna hitrosti vetra, kar dosežemo z regulacijo toka generatorja. e upoštevamo, da mo vetra naraša s tretjo potenco hitrosti ter da napetost generatorja naraša linearno s hitrostjo vrtenja, dobimo optimalno obratovalno U/I karakteristiko kot na sliki 4 [11, 13].

5 Razpršena proizvodnja iz obnovljivih virov v enosmernih porabniških omrežjih 233 obdobij, ko se vrtilna hitrost ne spremeni bistveno. Izmenino napetost usmerimo z usmernikom v mostini vezavi. Ta je prikljuena na vhod pretvornika DC/DC. Model pretvornika je sestavljen enako kot v pretvorniku za sonne celice, s to razliko, da smo na vhodu pretvornika dodali kondenzator, ki zmanjšuje napetostne konice, ki so posledica induciranih napetosti v navitjih generatorja. 5.3 Gorivne celice Slika 4. Optimalna U/I karakteristika vetrne turbine Figure 4. Optimum U/I characteristic of wind turbine S primerno regulacijo dosežemo, da se delovna toka generatorja nahaja na želeni krivulji. Za priklop vetrne turbine na omrežje uporabimo pretvornik DC/DC navzgor. Pulzno-širinska modulacija regulira vhodni tok pretvornika. Tok na izhodu generatorja, ki je hkrati vhodni tok pretvornika, se sproti prilagaja optimalni in vnaprej definirani U/I karakteristiki uporabljene veterne turbine. Model vetrne turbine skupaj s pretvornikom za program PS CAD / EMTDC prikazuje slika 5. Gorivne celice so hitro razvijajoa se tehnologija, vendar še vedno predraga za široko uporabo. Ob znižanju cen pa bi lahko bile eden glavnih virov razpršene proizvodnje, predvsem kot enote za soproizvodnjo elektrine energije in toplote. Kot gorivo uporabljajo vodik, pridobljen z elektrolizo ali iz zemeljskega plina, naftnih derivatov in drugih materialov, ki vsebujejo veliko vodika. Elektrina napetost gorivne celice je enosmerna in tokovno odvisna. Napetost ene celice je tipino med 0.5 in 2 V, odvisno od vrste gorivne celice. Posamezne celice se zaporedno vežejo v sklade in s tem dosežejo višje, bolj uporabne napetosti. Pri polni obremenitvi je napetost od 25% do 60 % nižja od napetosti odprtih sponk. To pomeni, da direkten priklop na enosmerno omrežje s konstantno napetostjo ni mogo. Zato za pretok moi v omrežje potrebujemo pretvornik DC/DC. U/I karakteristiko ter izkoristek tipine nizkotemperaturne gorivne celice prikazuje slika 6 [4]. Slika 6. U/I karakteristika in izkoristek gorivnih celic Figure 6. U/I characteristics and efficiency of fuel cells Slika 5. Model veterne turbine s pretvornikom DC/DC z regulacijo PWM Figure 5. Model of a wind turbine with DC/DC converter with PWM regulation Vetrna turbina je sinhronski generator s konstantnim vzbujanjem, ki ga zagotavljajo trajni magneti rotorja. Generatorju doloamo navor, ki ga rotor vetrnice prenaša na rotor generatorja. Ker nas zanima predvsem odziv vetrne turbine na spremembo obremenitve to je na spremembo toka, smo predpostavili konstantni navor. Ta poenostavitev lahko velja za simulacijo kratkih asovnih Za priklop gorivne celice na omrežje smo predvideli enak pretvornik DC/DC kot pri sonnih celicah. Gorivna celica je enosmerni napetostni vir s tokovno odvisno napetostjo po karakteristiki na sliki 6. 6 Akumulator Akumulacija energije ima v otonem obratovanju omrežja z razpršeno proizvodnj Akumulator Akumulacija energije ima v otonem obratovanju omrežja z razpršeno proizvodnjo kljuno vlogo, kajti proizvodnja in poraba elektrine energije se asovno ne ujemata. V obravnavanem modelu omrežja smo za

6 234 Ažbe, Mihali6 akumulacijo elektrine energije uporabili svineve akumulatorje, ki so cenovno najboljša izbira. Slika 7 prikazuje napetost akumulatorja v odvisnosti od stopnje napolnjenosti za neobremenjeno stanje in za polnenje in praznenje s tokom C/10 (tok, pri katerem se akumulator izprazni do dovoljene meje v 10 urah). Model akumulatorja in pretvornika DC/DC s pulznoširinsko modulacijo predstavlja slika 8. Akumulator smo v modelu omrežja predstavili kot napetostni vir, katerega napetost je odvisna od stopnje napolnjenosti in velikosti toka. Slika 7. Napetost 12 V svinevega akumulatorja v odvisnosti od stopnje napolnjenosti Figure 7. Voltage of a 12 V lead-acid battery according to the charge level Kot se vidi iz slike 7, je razlika med najvišjo in najnižjo napetostjo okrog 40 %, vendar se le-ta lahko zniža na okrog 25 %, e pri napolnjenosti nad 85 % polnimo z manjšim tokom pri stalni napetosti 13.8 V [12]. V obravnavanem modelu omrežja smo predpostavili priklop akumulatorja na omrežje na tak nain, da je pri praznjenju to je pri napajanju omrežja prikljuen direktno, pri polnenju pa prek pretvornika DC/DC. Pretvornik DC/DC ima stikalo, ki glede na napetost omrežja preklaplja med napajanjem omrežja in polnjenjem akumulatorja. Dokler omrežje obratuje pri napetosti, ki je nižja od napetosti povsem napolnjenega in neobremenjenega akumulatorja, to je V, ta napaja omrežje. Ko napetost omrežja preseže V, akumulator omrežja ne napaja ve, zato stikalo pretvornika DC/DC preklopi na polnjenje akumulatorja. e je proizvodnja veja od porabe, napetost še naraša in pri 240 V zane pretvornik DC/DC polniti akumulator s tako mojo, da je napetost omrežja konstantno 240 V. Za prepreitev prenapolnjenosti akumulatorja smo dodali dodatno regulacijo, ki omejuje napetost akumulatorja. To pomeni, da e je akumulator poln in je s tem dosežena najvišja dovoljena napetost akumulatorja, pretvornik DC/DC zmanjša polnjenje in s tem napetost omrežja naraste, e je le proizvodnja veja od porabe. Napetost se zviša v celotnem omrežju in jo zaznajo tudi pretvorniki DC/DC posameznih proizvodnih enot, ki glede na to zmanjšajo proizvodnjo ali pa odvajajo energijo na pomožne porabnike. Slika 8. Model akumulatorja in pretvornika DC/DC s pulznoširinsko modulacijo Figure 8. Model of a battery with DC/DC converter with PWM regulation Regulacijo pretvornika DC/DC smo izvedli s pulznoširinsko modulacijo. Polprevodniško stikalo IGBT se vklaplja s stalno frekvenco, dolžina asa prevajanja pa je odvisna od napetosti na strani omrežja. Ko je akumulator poln, napetost akumulatorja doseže najvejo dovoljeno vrednost in polnjenje se ustavi. o kljuno vlogo, kajti proizvodnja in poraba elektrine energije se asovno ne ujemata. V obravnavanem modelu omrežja smo za akumulacijo elektrine energije uporabili svineve akumulatorje, ki so cenovno najboljša izbira. Slika 7 prikazuje napetost akumulatorja v odvisnosti od stopnje napolnjenosti za neobremenjeno stanje in za polnenje in praznenje s tokom C/10 (tok, pri katerem se akumulator izprazni do dovoljene meje v 10 urah). 7 Rezultati digitalne simulacije Za prikaz obratovanja obravnavanega omrežja smo izdelali model, v katerem smo vire in akumulator skupaj s pretvorniki DC/DC predstavili tako, kot smo opisali v prejšnjih dveh poglavjih. Ta model kot rezultat prikazuje napetosti in tokove znotraj posameznih virov ter dogajanje in potek regulacije v pretvornikih DC/DC. Ker regulacija pretvornikov deluje pri visokih frekvencah ponavadi nad 20 khz je model primeren za prouevanje krajših asovnih obdobji, to je predvsem za

7 Razpršena proizvodnja iz obnovljivih virov v enosmernih porabniških omrežjih 235 prikaz razlinih prehodnih pojavov. V nadaljevanju prikazujemo zagon omrežja in kratek stik na enem izmed vodov. 7.1 Zagon omrežja Pri zagonu omrežja predvidevamo, da so vsi viri v pripravljenosti. To pomeni, da je sonna celica osvetljena, vetrna turbina se vrti, gorivna celica pa ima želeno temperaturo in tlak. Prvi graf na sliki 9 prikazuje napetosti U1, U2 in U3 glede na model omrežja na sliki 1. Kot se vidi, se napetost ob zagonu najprej zniža, potem pa se stabilizira na obratovalni vrednosti. Padec napetosti ob zagonu je posledica polnjenja kondenzatorjev pretvornika DC/DC pri akumulatorju, ki povzroi velik tok in posledino glede na njegovo U/I karakteristiko padec napetosti na sponkah. Ker je pri napajanju omrežja akumulator prikljuen direktno, se njegov padec napetosti odraža na celotnem omrežju. Napetosti po konanem prehodnem pojavu se razlikujejo glede na padec napetosti na vodih. tok. Tokovi posameznih virov, ki teejo v pretvornik DC/DC, so konstantni in jih na tem grafu ne prikazujemo. Izhodni tokovi pretvornikov DC/DC, ki jih prikazujemo na tem grafu, nastanejo šele, ko se napolnijo kondenzatorji posameznih pretvornikov DC/DC. 7.2 Kratek stik na vodu Naslednji primer prikazuje razmere v omrežju ob kratkem stiku na vodu 1-3 glede na sliko 1. V asu t = 0.25 s pride do kratkega stika. Po 100 ms deluje zašita in izklopi okvarjeni vod. Ob tem se s konceptom zašite nismo ukvarjali. Prvi graf na sliki 10 prikazuje napetosti U1, U2 in U3 glede na model omrežja na sliki 1. Napetost omrežja, ki jo narekuje napetost na sponkah akumulatorja, se zniža zaradi velikega toka akumulatorja. Po delovanju zašite se vzpostavi stabilna obratovalna napetost. Razlike med napetostmi v razlinih tokah omrežja se po kratkem stiku poveajo, ker se zaradi izpada enega voda tok po drugih dveh vodih povea. Slika 9. Rezultat digitalne simulacije zagona omrežja Figure 9. The results of digital simulation of network startup Drugi graf na sliki 9 prikazuje tokove posameznih virov in akumulatorja, ki teejo v omrežje. Kot smo že omenili, stee ob zagonu omrežja iz akumulatorja velik Slika 10. Rezultat digitalne simulacije kratkega stika Figure 10. The results of digital simulation of short circuit Drugi graf na sliki 10 prikazuje tokove posameznih virov in akumulatorja, ki teejo v omrežje. Kot smo že omenili, stee ob kratkem stiku iz akumulatorja velik

8 236 Ažbe, Mihali6 tok, ki se ustali pri 191 A in tee ves as kratkega stika. Izhodni tokovi posameznih pretvornikov DC/DC imajo v zaetku kratkega stika konico, ki jo povzroi kondenzator na izhodu pretvornika. Ko se kondenzatorji izpraznejo, tee v omrežje taka mo, kot jo posamezen vir proizvaja. Po delovanju zašite se napetost omrežja dvigne, pretvorniki DC/DC posameznih virov pa morajo posledino napolniti deloma izpraznejene kondenzatorje. Zato izhodni tok pretvornikov DC/DC nastane z zakasnitvijo, podobno kot ob zagonu omrežja. 8 Sklep V lanku opisujemo model izoliranega enosmernega nizkonapetostnega omrežja, ki je alternativa izmeninemu omrežju. Predstavljamo modele posameznih obnovljivih virov in akumulatorja, modeliranih v raunalniškem programu za digitalno simulacijo PSCAD/EMTDC. Opisujemo tudi nain regulacije pretvornikov DC/DC, ki so kljuni element omrežja, saj skrbijo za pravilen pretok moi in stabilno napetost. Iz rezultatov digitalne simulacije sledi, da je obratovanje enosmernega omrežja z razpršeno proizvodnjo povsem mogoe z uporabo pretvornikov DC/DC in standardnih elementov tako na strani proizvodnje kot na strani porabe elektrine energije. Pri tem ne potrebujemo centralne regulacije ter komunikacije med proizvodnimi enotami in porabniki. [10] A. Dolenc, Sinhronski stroji, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana, 1977 [11] 20V01-eng.pdf [12] [13] V. Ažbe, Enosmerna porabniška omrežja z razpršeno proizvodnjo iz obnovljivih virov, Magistrsko delo, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana, 2003 Valentin Ažbe (1971) je diplomiral leta 1996 in magistriral leta 2003 na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Od leta 2000 je zaposlen na Fakulteti za elektrotehniko kot mladi raziskovalec. Raziskovalno delo opravlja v Laboratoriju za preskrbo z elektrino energijo. Ukvarja se z enosmerni elektroenergetski sistemi, razpršeno proizvodnjo elektrine energije, zašito elektroenergetskih sistemov in izdelavo programskih orodij za uporabo na podroju elektroenergetike. Rafael Mihali (1961) je diplomiral leta 1986, magistriral leta 1989 in doktoriral leta 1993 na Fakulteti za elektrotehniko in raunalništvo v Ljubljani. Po diplomi je postal asistent na omenjeni fakulteti na Katedri za elektroenergetske sisteme in naprave. Med letoma 1988 in 1991 je bil zaposlen pri SIEMENS AG Erlangen na inštitutu za razdeljevanje elektrine energije in nartovanje omrežij. Trenutno je izredni profesor na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Je lan CIGRE, lan IEEE, predsednik ŠK B4 SLOKO CIGRE. Podroje delovanja vkljuuje predvsem analizo elektroenergetskih sistemov in naprav FACTS. Nadaljnje delo bo usmerjeno v raziskavo mehanskih in elektronskih stikal in v ekonomsko primerjavo z izmeninim omrežjem. 9 Literatura [1] H. L Willis., W. G Scott.: Distributed Power Generation, Marcel Dekker Inc., New York, [2] 99fuelcell/fc4-2.pdf, [3] =englisch, [4] rad24.html [5] products/eng/core/ ShellSP150_UKv5.pdf [6] ifd/2ifd.pdf [7] Inge Skaale, Dean J. Patterson and Howard Pullen, The development of a new maximum power point tracker for a very high efficiency, compound curve photovoltaic array for a solar powered vehicle, in Renewable Energy, vol. 22, Issues 1-3, January-March 2001, pp [8] H. D. Maheshappa, J. Nagaraju and M. V. Krishna Murthy, An improved maximum power point tracker using a step-up converter with current locked loop, Renewable Energy, vol. 13, Issue 2, February 1998, Pages [9] P. Gipe, Wind energy basics, Chelsea Green Publishing Company, ZDA, 1999