RO126355B1 - Dispozitiv de reglare cu sarcină de balast trifazată, pentru generatoare autonome cu surse de energie regenerabile - Google Patents

Description

Invenția se referă la un dispozitiv cu sarcină de balast, ce se încadrează în domeniul sistemelor de reglare a generatoarelor electrice autonome, cu surse de energie regenerabile. Un domeniu important de aplicare a invenției este cel al microhidrocentralelor funcționând în regim autonom. De asemenea, soluția se pretează în cazul sistemelor de generare hibridă a energiei electrice și termice-cogenerare, unde căldura generată pe rezistoarele sarcinii de balast poate fi recuperată.

Se cunosc diverse aplicații cu generatoare autonome, în care sunt utilizate sarcini de balast pentru reglarea frecvenței. în general, se întâlnesc în cazul sistemelor cu microhidrocentrale autonome și turbine eoliene.

Sarcina de balast, cunoscută și sub denumirea de sarcină tampon, se bazează pe disiparea energiei furnizate în exces de generatoare, formându-se un sistem hibrid de producere a energiei electrice și termice-cogenerare. Diferența dintre puterea produsă de generatoarele cu surse regenerabile și cererea consumatorilor se disipă pe niște rezistoare de putere.

Controlul fluxului de putere se realizează printr-un convertor de putere care prezintă diferite configurații. Convertorul de putere, care face legătura între cele trei faze ale generatorului sau microrețelei, în cazul mai multor generatoare în paralel, și rezistoarele de putere, diferențiază diferitele tipuri de sarcini de balast. în mod ideal, sarcina de balast trebuie să funcționeze ca o rezistență variabilă, care absoarbe numai putere activă, și nu induce armonici de curent în microrețea.

în ceea ce privește structura sarcinii de balast, se cunosc mai multe soluții tehnice având aceleași funcții principale de reglare a frecvenței într-un sistem autonom cu surse de energie regenerabile, prezentate succesiv în continuare.

Prima dintre acestea constă în utilizarea mai multor rezistoare de putere, conectate în paralel prin intermediul unor comutatoare statice (tranzistoare, tiristoare), după cum se prezintă în lucrările științifice: R. Sebastian, J. Quesada. Distributedcontrol system for frequency control in a isolated wind system, Science-Direct - Renewable Energy, voi. 31, issue 3, pp. 285-305 (2006); Hee-Sang Ko, Gi-Gap Yoon, Won-Pyo Hong, Juri Jatskevich, Control of hybrid windpower generation system with dump load using advanced fuzzy-robust controller”, Proceedings of International Conference on Electrical Machines and Systems, Oct. 2007, pp. 219-226. în aceeași categorie se încadrează și brevetele de invenție US 4563630/1986, J. L. Woodward, J. T. Boys, “Method of governing a generator and/orapparatus forgoverning a generator”; US 4511807/1985, W. M. Sommerville, “Electrical Generator control system”. în cazul acestora, numărul rezistoarelor în paralel determină sensibilitatea cu care se poate regla puterea disipată. Dezavantajul principal al soluției este dat de necesitatea unui număr mare de elemente componente, mai ales pentru schemele trifazate, și capacitatea redusă de reglare rapidă și precisă a puterii absorbite.

A doua structură care înlătură o parte din dezavantajele precedentei constă în utilizarea variatoarelor de tensiune alternativă cu tiristoare, după cum se prezintă și în lucrările științifice: W. Jun, Yu Bo, “A novei electronics load controller: theory and implementation”, Proceedings of the 5^th International Conference on Electrical Machines and Systems - ICEMS 2001, voi. 2, pp. 1276-1278; J. Chen, K. Natarajan, “Investigation into the use of electronic load governors for stand alone power system frequency control”, Proceedings of the Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering - CCECE, 2006, pp. 2262-2265.

RO 126355 Β1

O soluție apropiată de invenția revendicată este prezentată în brevetul de invenție 1 US 7276807 B2/2007, H. Luetze, T. Edenfeld, P. Gauchel, “Windturbinedumploadsystem andmethod”, în care se propune un sistem de control pentru turbine eoliene cu generatoare 3 sincrone cu magneți permanenți, care intervine în cazul în care apar funcționări anormale sau avarii în rețeaua la care este conectat generatorul. Sistemul este compus dintr-o sarcină 5 de balast trifazată, formată din trei rezistoare de putere, conectate la generator printr-un variator trifazat cu tiristoare, puterea disipată de sarcina de balast fiind controlată prin intermediul 7 unghiului de aprindere al tiristoarelor. Principalul dezavantaj al acestei structuri de sarcină de balast îl reprezintă caracterul neliniar, dat de comutația tiristoarelor, fapt ce conduce la 9 producerea armonicilor de curent de ordin inferior, dificil de filtrat, care cauzează pierderi suplimentare și încălzirea generatorului. 11

O altă configurație cunoscută constă în transformarea energiei de c.a. în energie de c.c., utilizând un redresor trifazat cu diode, iar prin intermediul unui variator PWM (Puise Width 13 Modulation - modularea impulsurilor în durată) de c.c. (chopper), se controlează puterea disipată pe un rezistor de putere, soluție descrisă și în lucrările științifice: B. Singh, S. S. 15 Murthy, S. Gupta, “Analysis and design of electronic load controller for self-excited inductiongenerators, lEEETrans. Energy Conversion, voi.21, iss. 1, pp. 285-293, March 17 2006: A8; B. Singh, S. S. Murthy, S. Gupta, Transient analysis of self-excited induction generator with electronic load controller (ELC) supplying static and dynamic loads”, 19

IEEE Trans. Industry Applications, voi. 41, iss. 5, pp. 1194-1204, Oct. 2005. în cazul acestora, puterea disipată pe rezistor depinde direct proporțional de factorul de umplere al 21 semnalului PWM, care este dictat de un regulator de frecvență. Dezavantajul acestei soluții îl reprezintă conținutul ridicat de armonici superioare de ordin inferior (cinci, șapte, 23 unsprezece), induse de funcționarea redresorului trifazat cu diode, care sunt dificil de filtrat.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în reglarea frecvenței și 25 compensării nesimetriilor într-o microrețea autonomă cu unul sau mai multe generatoare cu surse de energie regenerabile. 27

Dispozitivul de reglare cu sarcină de balast trifazată, pentru generatoare autonome cu surse de energie regenerabile, înlătură dezavantajele menționate anterior, prin aceea că 29 este alcătuit din trei ramuri separate de circuit electric, fiecare având câte un rezistor de disipare cu rol de sarcină de balast, în care fluxul de putere este controlat prin intermediul 31 câte unui tranzistor de putere pentru fiecare fază, acestea fiind, la rândul lor, comandate separat prin intermediul câte unui circuit de comandă cu semnale PWM, cu factor de umplere 33 variabil, trei punți cu diode prin intermediul cărora se redresează tensiunea de la intrarea fiecărui rezistor de disipare, ce are plasată în paralel câte o diodă de nul, și un filtru inductiv- 35 capacitiv LC, compus din trei bobine și trei condensatoare, utilizat pentru interfațarea cu o microrețea trifazată cu patru conductoare. 37

Conform unui alt aspect al invenției, circuitul de comandă cu semnale PWM este constituit dintr-un regulator de frecvență și o structură de compensare a nesimetriilor produse 39 de distribuția neuniformă a consumatorilor monofazați pe cele trei faze ale microrețelei trifazate cu patru conductoare, care conține un bloc de măsurare a puterilor active de pe 41 fiecare fază, puteri ce sunt utilizate în niște blocuri ce realizează operații aritmetice, iar rezultate sunt aplicate la intrarea a două regulatoare de tip proporțional-integral, ieșirile 43 acestora și ieșirea regulatorului de frecvență sunt însumate în trei sumatoare, aplicate la intrarea a trei limitatoare, care vor furniza semnale către trei generatoare PWM, utilizate 45 pentru comanda celor trei tranzistoare cu trei semnale modulate.

RO 126355 Β1

Dispozitivul de reglare cu sarcină de balast trifazată, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- un conținut redus al armonicilor de curent, și un factor de putere ridicat al circuitului pe tot intervalul de încărcare, comportându-se ca un circuit cvasi-rezistiv;

- ordinul ridicat al armonicilor de curent permite utilizarea unui filtru inductiv-capacitiv de dimensiuni reduse și, ca urmare, dimensiunile de gabarit ale sarcinii de balast vor fi reduse;

- circuitul de comandă a sarcinii de balast permite, pe lângă funcția de bază de reglare a frecvenței, și menținerea acesteia într-un domeniu îngust de ±1% din frecvența nominală, și compensarea nesimetriilor produse de sarcinile monofazate distribuite neuniform pe cele trei faze ale unui sistem trifazat cu patru conductoare;

- schema permite un răspuns rapid la variațiile puterii sarcinilor și la variațiile puterii generatoarelor.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1...9, ce reprezintă:

- fig. 1, schema microrețelei incluzând sarcina de balast și un generator cu sursă de energie regenerabilă;

- fig. 2, structura sarcinii de balast inventată;

- fig. 3, circuitul de comandă a sarcinii de balast;

- fig. 4, oscilograma tensiunii și curentului de fază la bornele sarcinii de balast pentru o încărcare de 50%;

-fig. 5, diagrama puterilor în cazul unor sarcini monofazate, distribuite neuniform pe cele trei faze ale microrețelei, și distribuția puterii active pe cele trei faze ale sarcinii de balast;

- fig. 6, frecvența generatorului și răspunsul regulatorului de frecvență;

- fig. 7, conectare sarcini monofazate:

(a) puterile active pe cele trei faze ale generatorului;

(b) puterile active pe cele trei faze ale sarcinii de balast;

- fig. 8, oscilograma curenților prin cele trei faze ale generatorului:

(a) fără compensarea nesimetriilor;

(b) cu compensarea nesimetriilor;

- fig. 9, oscilograma curentului prin conductorul neutru al generatorului:

(a) fără compensarea nesimetriilor;

(b) cu compensarea nesimetriilor.

Fig. 1 prezintă schema bloc a unei microrețele autonome, compusă dintr-un generator electric 1, care este antrenat prin intermediul unei surse de energie regenerabilă, și care alimentează mai multe sarcini. Se utilizează un sistem de control 2, care comandă sarcina de balast 3. Se măsoară tensiunile de fază trifazate u_RST și curenții de fază trifazați i_RST, pe baza cărora sunt furnizate semnalele de comandă C_RST.

Dispozitivul de reglare cu sarcină de balast trifazată, pentru generatoare autonome cu surse de energie regenerabile, conform fig. 2, este alcătuit din trei ramuri separate de circuit electric, fiecare având câte un rezistor 4,5 și 6 de disipare, cu rol de sarcină de balast, în care fluxul de putere este controlat prin intermediul câte unui tranzistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 7, 8 și 9 de putere pentru fiecare fază, acestea fiind, la rândul lor, comandate separat, prin intermediul câte unui circuit de comandă cu semnale PWM C_R, C_s, C_T cu factor de umplere variabil. Tensiunea alternativă de la intrarea fiecărui rezistor 4, 5 și 6 de disipare este redresată prin intermediul a trei punți 10,11 și 12 cu diode, rezistoarele având

RO 126355 Β1 plasate în paralel câte o diodă de nul 13, 14 și 15, deoarece rezistoarele au și o inductanță 1 serie, rezultată din soluția constructivă (rezistoare bobinate în general). Interfațarea cu microrețeaua trifazată cu 4 conductoare R, S, T, N se realizează prin intermediul unui filtru 3 inductiv-capacitiv LC trece-jos, ce are rolul de a atenua armonicile superioare, produse de comutația tranzistoarelorde putere. Filtrul este compus din trei bobine 16 care nu sunt cuplate 5 magnetic, și trei condensatoare 17, conectate în stea, cu punctul comun legat la neutrul microrețelei. Dimensiunile filtrului sunt reduse pentru că cea mai mică armonică de curent 7 care trebuie filtrată este de ordinul frecvenței de comutație PWM a celor trei tranzistoare.

Fig. 4 prezintă tensiunea de fază u_RN la bornele sarcinii de balast, și curentul de fază 9 al sarcinii de balast printr-una dintre bobinele 16, pentru o încărcare de 50% a fazei respective. Factorul de distorsiune al curentului absorbit din microrețea este de sub 5%, în 11 condițiile în care tensiunea la borne prezintă un factor de distorsiune de aproximativ 2%, iar cos φ = 0,96. 13 în plus, structura de față conferă posibilitatea utilizării în sistemele trifazate cu patru conductoare, iar puterea disipată pe fiecare fază poate fi controlată separat. Acest avantaj 15 este utilizat pentru compensarea dezechilibrului introdus de consumatorii monofazați, dezvoltându-se în acest sens un circuit de comandă original. 17

Circuitul de comandă al sarcinii de balast cu semnale PWM, conform fig. 3, este constituit dintr-un regulator 18 de frecvență al microrețelei autonome, și o structură de compen- 19 sare a nesimetriilor de putere activă, produse de distribuția neuniformă a consumatorilor monofazați pe cele trei faze ale microrețelei trifazate cu patru conductoare. 21

Reglarea frecvenței cu sarcina de balast se realizează prin modificarea puterii disipate pe rezistoarele de putere, prin modificarea factorului de umplere a semnalului PWM 23 care comandă tranzistoarele de putere de pe fiecare fază.

Regulatorul 18 de frecvență utilizează o structură de tip proporțional-integral (PI), ce 25 acționează asupra diferenței dintre frecvența de referință (f_ref) și frecvența măsurată (f_max) în sistem, furnizând la ieșire estimarea dezechilibrului de putere (ΔΡ) între generare și consum. 27 Ieșirea regulatorului PI reprezintă practic factorul de umplere al semnalului PWM care comandă tranzistoarele de putere din cadrul sarcinii de balast. Dacă frecvența măsurată este 29 mai mare de 50 Hz, regulatorul crește factorul de umplere al semnalului PWM, astfel încât o putere mai mare va fi disipată pe sarcina de balast, iar ca rezultat generatorul/genera- 31 toarele își va/vor încetini turația, și frecvența va descrește. în cazul în care frecvența măsurată este mai mică de 50 Hz, procesul de reglare este invers, atât timp cât puterea 33 disponibilă în generatoare este mai mare decât cerințele sarcinilor.

în continuare, se adaugă un modul pentru compensarea nesimetriilor de putere activă 35 dintre fazele microrețelei. în acest sens, se determină puterile active de pe fiecare fază, prin intermediul blocului 19 de măsurare, iar acestea intră în două blocuri 20 și 21, ce realizează 37 următoarele operații aritmetice:

P₂₀ 2P_r + P_s + P_Ț 39

P21 ⁼ Pr 2Ps ⁺ Pt în care P₂₀ și P₂₁ reprezintă rezultatele operațiilor aferente blocurilor 20 și 21. 41

Rezultatele astfel obținute alimentează două regulatoare 22 și 23 de tip proporționalintegral, care vor estima dezechilibrele dintre faze, și vor furniza la ieșire un semnal 43 proporțional cu dezechilibrul de pe faza respectivă. Pentru exemplificarea funcționării circuitului de compensare a nesimetriilor, fig. 5 prezintă o diagramă a puterilor în microrețea 45 în cazul unor sarcini monofazate, distribuite neuniform pe cele trei faze, și distribuția puterii active pe cele trei faze ale sarcinii de balast în urma acționării compensatorului, astfel încât 47 generatorul/generatoarele va/vor resimți o sarcină echivalentă echilibrată.

RO 126355 Β1 în continuare, aceste semnale sunt însumate cu ieșirea regulatorului 18 de frecvență (ΔΡ), prin intermediul a trei sumatoare 24, 25 și 26, iar după o adaptare a semnalelor prin trei limitatoare 27,28 și 29, sunt aplicate generatoarelor de semnal PWM 30, 31 și 32. Semnalele obținute C_R, C_s și C_T comandă cele trei tranzistoare 7, 8 și 9 din structura sarcinii de balast.

Pentru demonstrarea funcționalității circuitului de comandă al sarcinii de balast inventate, în continuare sunt prezentate câteva rezultate obținute experimental în condiții de laborator, pentru următoarele două cazuri:

A. reglarea frecvenței unui generator sincron, având ca sursă primară o microhidrocentrală (emulată în laborator), și funcționând în regim autonom, cu sarcini variabile;

B. compensarea nesimetriilor de putere activă a aceluiași sistem de la punctul precedent, în cazul alimentării unor sarcini monofazate, distribuite neuniform pe cele trei faze.

A. Fig. 6 prezintă variația frecventei microrețelei în cazul conectării și deconectării unei sarcini trifazate echilibrate. Frecvența este menținută într-un interval îngust de ±1 %, iar răspunsul regulatorului de frecvență (ΔΡ) este rapid și fără oscilații.

B. Fig. 7 prezintă puterile active de pe cele trei faze ale generatorului (a) și de pe fazele sarcinii de balast (b), utilizând unități raportate, în cazul conectării unor sarcini monofazate identice pe diferite faze, în următoarea ordine: faza R, faza S și faza T. Sarcina de balast preia nesimetriile produse de sarcinile monofazate, iar generatorul va resimți o sarcină echivalentă echilibrată.

Fig. 8 prezintă oscilograma curenților prin cele două generatoare, în două cazuri: cu și fără compensarea nesimetriilor, în ambele cazuri condițiile de sarcină fiind identice. De asemenea, se poate observa în fig. 9 că valoarea curentului prin conductorul neutru al generatorului este atenuată de aproximativ zece ori, în urma utilizării acestui circuit de reglare.

Claims (2)

1. Revendicări 1

   1. Dispozitiv de reglare cu sarcină de balast trifazată, pentru generatoare autonome, 3 cu surse de energie regenerabile, caracterizat prin aceea că este alcătuit din trei ramuri separate de circuit electric, fiecare având câte un rezistor (4, 5 și 6) de disipare, cu rol de 5 sarcină de balast, în care fluxul de putere este controlat prin intermediul câte unui tranzistor (7, 8 și 9) de putere, pentru fiecare fază, acestea fiind, la rândul lor, comandate separat, prin 7 intermediul câte unui circuit de comandă cu semnale PWM cu factor de umplere variabil, trei punți (10,11 și 12) cu diode, prin intermediul cărora se redresează tensiunea de la intrarea 9 fiecărui rezistor (4, 5 și 6) de disipare, ce are plasată în paralel câte o diodă de nul (13, 14 și 15) și un filtru inductiv-capacitiv LC, compus din trei bobine (16) și trei condensatoare (17), 11 utilizat pentru interfațarea cu o microrețea trifazată, cu patru conductoare.
2. 2. Dispozitiv de reglare cu sarcină de balast trifazată, conform revendicării 1, carac- 13 terizat prin aceea că circuitul de comandă cu semnale PWM este constituit dintr-un regulator (18) de frecvență și o structură de compensare a nesimetriilor produse de distribuția 15 neuniformă a consumatorilor monofazați pe cele trei faze ale microrețelei trifazate cu patru conductoare, care conține un bloc (19) de măsurare a puterilor active de pe fiecare fază, 17 puteri ce sunt utilizate în niște blocuri (20 și 21) ce realizează operații aritmetice, iar rezultate sunt aplicate la intrarea a două regulatoare (22 și 23) de tip proporțional-integral, ieșirile 19 acestora și ieșirea regulatorului (18) de frecvență sunt însumate în trei sumatoare (24, 25 și 26), aplicate la intrarea a trei limitatoare (27, 28 și 29), care vor furniza semnale către trei 21 generatoare PWM (30, 31 și 32), utilizate pentru comanda celor trei tranzistoare (7, 8 și 9) cu trei semnale (C_R, C_s și C_T) modulate. 23