Usporedba sustava regulacije uzbude za sporohodne sinkrone generatore na hidro i vjetroagregatu Blaženka Brkljač, dipl.ing.el. Končar Elektronika i Informatika, Zagreb, Hrvatska Uzbudni sustavi Sažetak - U radu je opisan sustav regulacije uzbude na hidro i vjetro agregatu sa sporohodnim sinkronim generatorom kroz konkretan primjer. Istaknute su njegove specifičnosti ovisno o primjeni, kao i mogućnost minimiziranja razlika, sklopovlja i programske podrške, kako bi se ostvario što univerzalniji proizvod s aspekta proizvodnje te tržišno konkurentan, a da se pri tome ne gubi na kvaliteti proizvoda.
Ključ ne ne riječ i: sustav regulacije uzbude, sporohodni sinkroni generator, digitalni regulator KONreg
I.
UVOD
Uobičajeno je da proizvo đači i korisnici pod sustavom regulacije uzbude sinkronog stroja podrazumjevaju sinkroni stroj i sustav uzbude. Sustav uzbude (SU) pak obuhva ća energetski izvor za napajanje uzbude, regulator i pripadne dodatne funkcije. Temeljna funkcija sustava regulacije uzbude (SRU) sinkronog stroja je održavanje i upravljanje potencijalnom energijom elektromagnetskog polja u zračnom rasporu stroja u cilju stabilnog procesa pretvorbe mehaničke u električnu energiju. U tu svrhu su sustavu regulacije uzbude pridodane dodatne funkcije glede posebnih zahtjeva elektroenergetskog sustava (EES) bez dovođenja u pitanje temeljne funkcije SRU. Regulirana veličina ne mora biti napon na vlastitim stezaljkama stroja, može to biti i vlastita jalova snaga, cos ϕ stroja ili struja uzbude. Također je moguće mijenjati i vrstu regulirane veličine ili veličina u SRU ili EES-u koju određuje strategija i hijerarhija vođenja EES-a. Unutar SU postoje još i funkcije ograničavanja ili upravljanja strujom uzbude odnosno armature u graničnim režimima rada određenim pogonskog kartom sinkronog stroja, te u vezi s tim i zaštitne i upravljačke funkcije. SRU je jedan od dva temeljna sustava regulacije agregata. Drugi je sustav regulacije brzine vrtnje/radne snage. Shvaćajući agregat kao jedinstven objekt i sustav sam po sebi, sustav regulacije uzbude i brzine vrtnje čine sustav regulacije pretvorbe energije. U ovom je radu opisan sustav regulacije uzbude na hidro i vjetro agregatu kroz konkretan primjer. Istaknute su njegove specifičnosti ovisno o primjeni, kao i mogu ćnost minimiziranja razlika, sklopovlja i programske podrške, kako bi se ostvario što univerzalniji proizvod s aspekta
proizvodnje te tržišno konkurentan, a da se pri tome ne gubi na kvaliteti proizvoda. II.
SUSTAV UZBUDE SINKRONOG GENERATORA
U nastavku rada biti će opisan SU baziran na sklopovlju iz serije Kon čarevih digitalnih regulatora pod imenom KONreg proizvedenoj u društvu Končar-Elektronika i informatika. Svim podtipovima digitalnog regulatora KONreg, od kojih će u ovom radu biti prikazana 2 podtipa, zajednički je veći dio sklopovlja: • Mati čna ploča (DCB 201, s implementiranim digitalnim ulazima i izlazima, analognim ulazima, PWM izlazom i raznim tipovima priključaka za komunikaciju), • centralna procesorska jedinica (CPU 100), • ploča sa napajanjem (DCB 800) i • LCD panel. Uz dodatak Analogne plo če (npr. DCB 300) i Energetske ploče (npr. DCB 401, s dvokvadrantnim IGBT pretvara čem za 380 Vdc, 25 Adc trajno, 40 A kroz 10 s) sve zajedno čini kompletan, kompaktan, malen i tržišno konkurentan SU tipa KONreg S1000 (Slika 1).
Slika.1. Digitalni regulator KONreg S1000 Zasebna Analogna i Energetska ploča, u nekoliko varijanti, je napravljena baš zbog razli čitosti u broju, načinu i veličinama analognih mjerenja na razli čitim tipovima
sustava uzbude što će se i opisati u poglavljima III i IV. U nastavku ovog poglavlja biti će funkcionalno opisan zajednički dio sklopovlja i programske podrške koji je identičan neovisno o primjeni. U ovom slu čaju, kao primjeri, uzeti su SU za HE Kneške Ravne, te nova serija SU za VE Pometeno Brdo. Osnovne zadaće sustava uzbude su stabilno napajanje uzbudnog namota sinkronog generatora istosmjernom strujom, održavanje postavljenog iznosa napona na stezaljkama generatora te održavanje stabilnog toka jalove snage u mrežu. Sustav uzbude sinkronog generatora sastoji se od digitalnog regulatora s mjernim članovima i energetskog dijela koji osigurava struju uzbude sinkronog generatora. Digitalni regulator je izveden s procesorom za obradu signala ADSP 21992 (160 MHz) tvrtke Analog Devices te dodatnim koprocesorom ALTERA. Moguća je jednostavna implementacija dodatnih logičkih funkcija, nadzor veličina unutar sustava, snimanje valnih oblika i podešavanje parametara korištenjem osobnog računala (RS232 komunikacija) i vanjskog Panela. Sustav uzbude osigurava sljede će osnovne funkcije: • uzbuđivanje generatora u praznom hodu, • regulaciju uzbude generatora, • razbuđivanje generatora, • forsiranje uzbude sa stropnim vrijednostima struje uzbude i napona uzbude, • održavanje konstantnog napona generatora s visokom razinom statičke i dinamičke stabilnosti, • održavanje struje uzbude unutar vrijednosti koje odgovaraju dozvoljenim termičkim opterećenjima uzbudnog kruga generatora, • daljinsko i lokalno, automatsko i ru čno upravljanje i nadzor sustava uzbude u pogonu. Sustav uzbude osigurava pozitivnu struju uzbude. U fazi razbuđivanja, dok teče struja pozitivnog predznaka (prevođenjem dvokvadrantnog čopera u zatvoreno stanje), uzbuda daje negativni napon. Krug regulacije napona sinkronog generatora realiziran je s krugom regulacije struje uzbude i nadređenim krugom regulacije napona generatora. Ta dva regulatora uvijek su prisutna dok se regulator jalove snage ili cos ϕ regulator upotrebljava prema zahtjevima EES-a za pojedini generator. Regulator jalove snage generatora i napona su proporcionalno integralnog tipa. Regulator jalove snage je nadređen regulatoru napona koji je nadređen regulatoru struje uzbude generatora također proporcionalno integralnog tipa. Izlazi iz regulatora su ograni čeni. Iz dva linijska napona i dvije fazne struje generatora odre đuju se amplitude napona i jalove snage generatora. Kompenzacija jalove snage generatora je izvedena pove ćanjem naponske povratne veze s povećanjem jalove snage generatora.
Kompenzacija se uključuje kada je generator spojen na elektroenergetski sustav. Energetski dio predstavlja krug kojim se dovodi i transformira energija za napajanje uzbudnog namota generatora. Sastoji se od uzbudnog transformatora, dvokvadrantnog čoperskog pretvarača s istosmjernim međukrugom, opreme za prenaponsku zaštitu istosmjernog međukruga te pomoćne opreme. Uzbudni transformator galvanski odvaja uzbudni namot, koji je neuzemljen, od mreže. Preko diodnog ispravlja ča, napaja se dvokvadrantni čoperski pretvarač s istosmjernim međukrugom. Dimenzioniran je tako da uz nazivni napon i maksimalno trajno dozvoljenu struju uzbude osigurava i traženi iznos stropnog napona i struje uzbude za potrebe forsiranja u prijelaznim režimima. U sustavu uzbude je primijenjen dvokvardantni energetski operski pretvarač realiziran IGBT (bipolarni tranzistor č upravljan poljem) poluvodičkim modulima, proizveden u društvu Končar-Elektronika i informatika. Čoperski pretvarač sastoji se od trofaznog diodnog ispravlja ča u mosnom spoju, istosmjernog međukruga, prenaponske zaštite istosmjernog međukruga s linearnim otpornikom, te dvokvadrantnog čopera koji ispravlja struju na uzbudni namot generatora. Čoperski pretvarač se regulira digitalnim regulatorom napona, preko sklopa širinsko impulsne modulacije, koji obavlja upravljanje širinom vo đenja IGBTa. Srednja vrijednost istosmjernog napona odre đena je vremenom trajanja okidnih impulsa unutar konstantne periode pri određenom ulaznom naponu istosmjernog međukruga. Zbog odabira čoperskog prevarača kao tipa usmjerivača, struja uzbude se mjeri preko strujnog mjernog pretvara ča (na Hallovom principu) te se dodatno filtrira u programu filterom 1. reda. Za zaštitu istosmjernog me đukruga od prenapona koji se mogu pojaviti u slučaju prijelaznih pojava pri krivoj sinkronizaciji ili gubitka sinkronizma predviđena je zaštita od prenapona realizirana IGBT sklopkom i linearnim otpornikom. Pri pojavi prenapona u istosmjernom međukrugu ili krugu rotora, većih od podešene vrijednosti zaštite, elektronički okidni sklop, ovisno o visini prenapona, daje upravljački impuls na IGBT, nakon čega on provede i prenapon se zatvori kroz linearni otpornik, što dovodi do postupnog sniženja struje, odnosno poništenja magnetske energije uzbudnog kruga. IGBT modul u sklopu je identi čan IGBT-ima dvokvadrantnog čopera. Linerani otpornik odabire se tako da daje optimalno brzo razbu đivanje, uz osiguranje da maksimalni napon ne prije đe dozvoljeni napon na kliznim kolutovima generatora i maksimalni napon istosmjernog međukruga.
III.
SPECIFIČ NOSTI SUSTAVA UZBUDE NA VJETROAGREGATU
U nastavku je ukratko opisan tip vjetroagregata kako bi se bolje shvatio odabir i funkcioniranje primjenjenog tipa sustava uzbude te su istaknute specifi čnosti sustava uzbude vezane uz odabir glavne elektromehani čke opreme. A.
Vrsta vjetroagregata
Tehničke karakteristike vjetroagregata planiranog vjetroparka VE Pometeno Brdo (Slika 2) su sljede će: • horizontalna osovina uz vjetar (HAWT) s tri lopatice, • promjenjiva brzina vrtnje, • zakretanje lopatica, • direktni pogon sinkronog generatora, sa stranom uzbudom iz vlastite potrošnje elektrane, generator sa spojem na mrežu preko • sinkroni elektroničkog energetskog pretvarača.
Slika 2: Mrežni priključak putem DC veze bez mjenja čke kutije Ovo rješenje ima za Kon čar komparativne prednosti s obzirom na proizvodne programe pojedinih društava u Grupi Končar. Većina glavnih komponenti (osim lopatica) proizvode se ili će se proizvoditi u RH, a predstavljaju konkurentno rješenje u usporedbi s drugim rješenjima. Zbog postojanja frekvencijskog pretvarača je na vjetroagregatu predviđena dodatna kompenzacija (filter) viših harmoničkih članova na strani mrežnog pretvarača čime je osigurana kvaliteta napona prema odgovaraju ćim propisima o kvaliteti električne energije. B. Elektromehanič ka oprema vjetroagregata
Moment koji proizvodi vjetroturbina pokreće sinkroni generator. Sinkroni generator je sporohodni 60-polni stroj diskastog oblika, snage 1000 kVA, faktora snage 1, trofazni generator napona od 150 do 760 V (5 sekundi) i 690 V nazivno, s brzinom vrtnje 10 do 27 rpm i frekvencije 5 do 13,5 Hz. Uzbudni namot generatora je napajan iz sustava strane uzbude koja se, preko odgovaraju ćeg transformatora, napaja sa izlaznih sabirnica mrežnog frekvencijskog pretvarača vjetroagregata. Generator je s prigušnim kavezom, s prirodnim parametrima i pojačanom izolacijom za prenapone.
Zbog nekompatibilnog izlaznog napona i frekvencije generatora za spoj s mrežom koristi se frekvencijski pretvarač. Dva su frekvencijska pretvarača, tzv. generatorski i mrežni pretvarač. Svaki frekvencijski pretvara č je snage 1250 kW (125% snage agregata), faktora snage 0.95 kapacitivno i induktivno, s ulaznim parametrima 250 do 690 V i frekvencije 5 do 17,5 Hz i s izlazom 690 V i frekvencije 50 Hz te ima određenu preopteretivost (trajno 1250 kW, 150% kroz 60 s i 200% 0,2 s). Frekvencijski pretvara č je četverokvadrantni, uzlazni, pulsno-širinska modulacija (PWM), engl. back to back, step-up IGBT pretvarač hlađen tekućinom. Na generatorskoj strani nalazi se dU/dt filter te sinusni LC filtar na strani mreže koji osigurava harmonijski sastav struje prema odgovaraju ćim tehničkim zahtjevima. Napon u međukrugu je 1050 V. Za po četno napajanje istosmjernog međukruga previđen je istosmjerni izvor. C. Pogonske znač ajke vjetroagregata
Agregat može, uz proizvodnju djelatne snage, proizvoditi i jalovu snagu: induktivnu ili kapacitivnu prema svojim mogućnostima i zahtjevima OPS-a. Za siguran rad na mreži vjetroagregat ima, u sklopu sustava upravljanja, postavljenu karakteristiku graničnih snaga (djelatne i jalove) tj. pogonsku kartu s ograničavačima, preko koje ne smije preći jer bi time došao u područ je preopterećenja i u situaciju da bude isključen od sustava zaštite. Rad vjetroagregata u režimu sinkronog kompenzatora ostvaruje se uz uklju čen mrežni frekventni pretvarač dok je preostali dio vjetroagregata u mirovanju.
1. Generatorski rad 2. Sinkroni kompenzator Slika 3: Pogonska karta vjetroagregata VE Pometeno Brdo D. Sustav uzbude i njegove specifič nosti
Sustav uzbude, u normalnom pogonu, uvijek radi u regulaciji po naponu generatora (ARN). Razlog tome je da se spriječi moguće preopterećenje magnetskim tokom sinkronog generatora u praznom hodu generatora kada je napon generatora nazivni, a frekvencija ispod nazivne. Zbog promjenljive frekvencije napona generatora od 5 Hz do 13,5 Hz, treba ograničiti napon generatora prema linearnoj ovisnosti (U/f = konst.) od 290 V do 690 V, podesivo. Signal frekvencijske kompenzacije sumira se sa signalom reference napona generatora.
Iz navedenog razloga nije namjenjeno da SU radi, u normalnom pogonu, u regulaciji po struji uzbude. Također nema potrebe za radom u npr. regulaciji po jalovoj snazi ili cos ϕ budući da sinkroni generator nije izravno vezan na EES. Za napon mreže te ukupnu izlaznu jalovu snagu i njenu dinamiku je odgovoran mrežni pretvarač. Iz navedenog razloga nema potrebe, u sustavu uzbude, mjeriti niti struju generatora. S obzirom da je brzina/frekvencija generatora promjenljiva, napon generatora (Ug) se mjeri preko 2 naponska mjerna pretvarača (na Hallovom principu) koji su neovisni o frekvenciji (Uuv, Uwv). Zbog utjecaja generatorskog frekvencijskog pretvarača spojenog na sabirnice generatora, čija je radna frekvencija 2,5 kHz, odstupanje valnog oblika Ug od uobi čajenog sinusoidalnog oblika je veliko pa ga je potrebno dodatno fitrirati za potrebe mjerenja i regulacije (Slika 4). Konačno filtriranje je izvedeno u programu filterom 1. reda, granične frekvencije 100 Hz (uzorkovanje pri snimanju napona generatora je sa 4 kHz).
Slika 4. Snimka napona generatora: Uuv direktno mjerenje (graf 6), Uuv filtrirano (graf 7), Ug računski preko Clark-ovih transformacija (graf 10), Ug filtrirano (graf 11). Agregat je na mreži.
digitalnog regulatora koristi samo regulator po struji uzbude, s fiksnom unutarnjom referencom struje uzbude. Fiksna referenca struje uzbude podešena je na nazivnu vrijednost struje praznog hoda sinkronog generatora. IV.
SPECIFIČ NOSTI SUSTAVA UZBUDE NA HIDROAGREGATU
Kao primjer hidroagregata uzet je sustav uzbude na HE Kneške Ravne baziran na, ve ć spomenutom sklopovlju iz serije Končarevih digitalnih regulatora pod imenom KONreg, tipa S1000. Mali regulator KONreg S1000 namijenjen je regulaciji napona sinkronih strojeva (do snage 5 MVA), sustavima uzbude s rotiraju ćim izmjeničnim uzbudnikom, sustavima uzbude s istosmjernim uzbudnikom, dizel agregatima te vjetroagregatima. Sinkroni generator na HE Kneške Ravne ima na osovini prigrađen izmjenični sinkroni uzbudnik (invertirane koncepcije konstrukcije – polovi na statoru, armatura na rotoru), rotirajući diodni ispravljač, kompaudni sklop za podržavanje struje uzbude u slučaju kratkog spoja na izvodima generatora, te digitalni regulator napona KONreg S1000. Budući se radi o trofaznom sinkronom generatoru frekvencije 50 Hz (1100 kVA, 400 V, cos ϕ 0.8), koji je, preko odgovarajućeg transformatora, izravno spojen na EES ne postoje posebni problemi mjerenja napona generatora. Napon generatora, stoga, nema potrebe mjeriti preko naponskih mjernih pretvarača već se koriste naponski mjerni transformator budući su, po cijeni, do 3 puta jeftiniji od prvospomenutih. Sustav uzbude, u normalnom pogonu, može raditi u regulaciji po naponu generatora (ARN) te u regulaciji po struji uzbude (RR). Implementiran je Q regulator (regulacija po jalovoj snazi) i cos ϕ regulator (regulacija po faktoru snage) kada je sinkroni generator spojen na EES. Za napon mreže te ukupnu izlaznu jalovu snagu i njenu dinamiku odgovoran je sustav uzbude, naravno ovisno o utjecaju kojeg ima s obzirom na mjesto priklju čka na EES. Za potrebe Q tj. cos ϕ regulacije te ograničenja struje armature mjeri se i struja generatora (dvofazno) preko 2 strujna mjerna pretvarača (na Hallovom principu). Moguć je i otočni režim rada agregata koji je predvi đen u sklopu regulatora napona. Budući je u regulatoru napona implementirana i funkcija sinkronizacije na mrežu agregata, postoji i dodatno analogno mjerenje napona mreže (jednofazno) preko naponskog mjernog transformatora. V.
Postoji i mogućnost motorskog režima rada sinkronog stroja kako bi se dovela, u odre đeni položaj, turbina vjetroagregata u slu čaju zamjene lopatica. Tada se unutar
ZAKLJUČAK
U radu je opisan sustav regulacije uzbude na hidro i vjetro agregatu sa sporohodnim sinkronim generatorom kroz
konkretan primjer. Istaknute su njegove specifi čnosti ovisno o primjeni, kao i mogućnost minimiziranja razlika, sklopovlja i programske podrške, kako bi se ostvario što univerzalniji proizvod s aspekta proizvodnje, a da se pri tome ne gubi na kvaliteti proizvoda. Na malim sinkronim generatorima očekuje se da i pripadni sustav uzbude bude malen, kako po cijeni tako i po veličini, ali sa svim osnovnim i, po mogu ćnosti, dodatnim funkcijama koje sustav uzbude obavlja ili može obavljati. Na proizvođaču sustava uzbude je da realizira proizvod koji će zadovoljiti takve zahtjeve kako bi bio konkurentan. Jedan od ciljeva mu je i minimizirati razliku u sklopovlju i programskoj podršci između pojedinih sustava uzbude za različite sinkrone stojeve i primjene. U radu je opisan SU baziran na sklopovlju iz serije Končarevih digitalnih regulatora pod imenom KONreg proizveden u društvu Končar-Elektronika i informatika. Svim podtipovima digitalnog regulatora KONreg, od kojih su u ovom radu prikazana 2 podtipa, zajedni čki je veći dio sklopovlja: Matična ploča (DCB 201, s implementiranim digitalnim ulazima i izlazima, analognim ulazima, PWM izlazom i raznim tipovima priključaka za komunikaciju), centralna procesorska jedinica (CPU 100), plo ča s napajanjem (DCB 800) i LCD panel. Uz dodatak Analogne ploče i Energetske plo če, za manje SU tj. sinkrone generatore, sve zajedno čini kompletan, kompaktan, malen i tržišno konkurentan SU tipa KONreg S1000. Zasebna Analogna i Energetska ploča, u nekoliko varijanti, je napravljena baš zbog razli čitosti u broju, načinu i veličinama analognih mjerenja generatorskih varijabli za različite sinkrone strojeve i primjene čijim se kombiniranjem dobiva širok spektar podtipova sustava uzbude. VI. [1] [2] [3] [4] [5] [6]
R EFERENCE
R. Wolf, «Osnove električnih strojeva», Školska knjiga, Zagreb 1991. Z. Sirotić, Z. Maljković, «Sinkroni strojevi», sveučilišna skripta, FER, Zagreb, 1996. N. Pašalić, «Osnovi regulacione tehnike», zbornik radova III svezak, Zagreb, 1977. M. Mehmedović, «Identifikacija parametara sustava regulacije uzbude sinkronih strojeva», Doktorska disertacija, 1995. T. Idžotić, «Proširenje područ ja stabilnog rada sinkronog generatora regulacijom uzbude», Doktorska disertacija, 2003. I. Čolović, I. Friščić, I. Bartulović, B. Brkljač, «LA7155 Protokol ispitivanja na terenu sustava uzbude vjetroagregata 1000 kVA», KON ČAR Elektronika i informatika, Zagreb 2008.
[7] [8]
I. Čolović, I. Bartulović, B. Brkljač, «LA7458 Opis sustava uzbude vjetroagregata», KON ČAR Elektronika i informatika, Zagreb 2008. I. Čolović, I. Bartulović, B. Brkljač, «LA9279 KONreg S1000», KONČAR Elektronika i informatika, Zagreb 2009.
