Balázs Gergely György. Négynegyedes hálózatbarát áramirányítók szabályozása, különös tekintettel járműves alkalmazásokra

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Villamos Energetika Tanszék Balázs Gergely György Négynegyedes hálózatbarát áramirányítók szabályozása, különös tekintettel járműves alkalmazásokra Ph.D értekezés tézisfüzete Témavezető: Dr. Schmidt István Villamos Energetika Tanszék Budapest, 2012

2 Bevezető, célkitűzések Technikailag fejlett világunkban a legértékesebb, legsokoldalúbban felhasználható energiafajta a villamos energia. Mivel a Föld energiatartalékai kimerülőben vannak, ezért kiemelkedő jelentőséggel bír az energiahatékonyság és a környezetbarát alternatív energiaforrások kiaknázása, annak érdekében, hogy az egyéb energiafajták mellett az értékes villamos energia megfelelő mennyiségben és minőségben továbbra is rendelkezésre álljon. Ezért e vonatkozásban minden vizsgálat és racionalizálási szándék felértékelődik, és különös figyelmet érdemel. Váltakozó feszültségű hálózatokra számos hálózatszennyező fogyasztó csatlakozik. Sajnálatos módon szembesülni kell azzal a ténnyel, hogy a váltakozó feszültségű hálózat feszültségének ideális szinuszos hullámalakja erőteljesen torzított, nagymértékben szennyezett a nemlineáris, hálózat szennyező fogyasztók tömeges jelenléte miatt. Éppen ezért fel kell kutatni minden olyan megoldást, amellyel a szennyezett hálózat káros hatásait csökkenteni lehet. A kétirányú energiaáramlásra alkalmas kapcsolóüzemű áramirányítók célszerű vezérlési eljárása lehet ennek egyik eszköze. A disszertáció olyan kérdésekre fókuszál, amelyek váltakozó feszültségű hálózatról táplált járműveknél is felmerülnek. A disszertáció egyik célja egy olyan szimulációs keretrendszer megalkotása, amellyel lehetőség nyílik hálózatbarát tulajdonsággal rendelkező áramirányítók hálózati visszahatásait, valamint a nemlineáris, hálózatszennyező fogyasztók és a hálózatbarát áramirányítók egymásra hatását gyors szimulációs módszerekkel megvizsgálni. Az értekezés másik célkitűzése hídkapcsolású hálózati áramirányítók számára olyan áramszabályozási stratégia megalkotása, és összehasonlítása a jelenleg alkalmazott módszerekkel, amellyel csökkenteni lehet a felharmonikusokkal szennyezett hálózat káros hatásait. Kutatás módszertana Szimulációs vizsgálatok: Hálózatbarát áramirányítók hálózati visszahatásainak vizsgálatára kéttartományos szimulációs módszereket alkalmaztam. Ez a módszer kapocs a frekvencia- és időtartománybeli modellek között. A teljes rendszer modelljének azon egységei, amelyeket egyszerűbben lehet modellezni a frekvenciatartományban, azok a frekvenciatartománybeli paramétereikkel kerülnek a modellbe. Ezzel szemben időtartományban kerülnek implementálásra azok az egységek, amelyek időfüggőek, és differenciálegyenletekkel jól jellemezhetők. Ezért a jelentős frekvenciafüggést mutató váltakozó feszültségű hálózat frekvenciatartományban, míg a hálózatra kapcsolt áramirányítók időtartományban kerülnek modellezésre. A kéttartományos módszerek időtartománybeli szimulációjához egy moduláris felépítésű, flexibilis modellt készítettem. Egy- és háromfázisú hálózatra kapcsolt hálózatoldali áramirányítóval rendelkező közbülső egyenfeszültségű körös frekvenciaváltót modelleztem, amelynek a hálózatoldali és motor oldali áramirányítója feszültséginverter kapcsolású. Ezen felül elkészítettem rövidrezárt forgórészű aszinkron és állandómágneses szinkron motorok modelljeit is. A modellezett részegységeket és a kapcsolatukat a 1. ábra szemlélteti. A frekvenciaváltó és a motor modelleket a rendszerre felírható differenciál egyenletek alapján, viszonylagos egységekben készítettem el. A szimulációs idő csökkentése érdekében egyszerűsítéseket tettem a villamos gépek és a teljesítményelektronika modellezésénél. A teljes hajtásrendszert állandó 2

3 együtthatós, lineáris differenciálegyenletekkel modelleztem. A háromfázisú mennyiségeket Park vektorosan vettem figyelembe. 1. ábra: Moduláris felépítésű feszültséginverteres frekvenciaváltós hajtások modelljei Tesztelés és mérések: Úgy gondolom, hogy egy doktori értekezés értékét növeli, ha a kutatási eredményként kapott új elvek szerint üzemelő eszközök működését és előnyös tulajdonságait nem csak analitikusan, vagy szimulációs módszerrel lehet bemutatni, hanem egy megvalósított rendszeren keresztül. Ezért a disszertációmban szereplő új elvek vizsgálatára készült egy egyfázisú tesztrendszer. Ennek központi eleme egy négynegyedes hídkapcsolású áramirányító, amihez épült szabályozó, vezérlő egység. A rendszerrel lehetőség nyílt egyenirányító és váltóirányító üzemben torzított hálózat esetén vizsgálni a második tézisben megfogalmazott új elvet, és összehasonlítani eddig alkalmazott áramszabályozási stratégiákkal. A vizsgálatokkal azt elemeztem, hogy valós körülmények között hogyan lehet megvalósítani a hálózati minőség javítását az új elv szerint működő, és a hagyományos áramszabályozási stratégiával rendelkező hálózati áramirányítóval. Analitikus vizsgálatok: A hálózatoldali áramirányítók áramszabályozási stratégiáinak összehasonlítására analitikus vizsgálatokat is végeztem. Összehasonlítottam a különböző elvek szerint működő áramirányítók által kikényszerített áramokat. A disszertációban szereplő bonyolult levezetés ellenére törekedtem egyszerű eredményekre. Úgy gondolom, hogy az egyszerűbb megértést és követhetőséget segíti a részletes levezetés és a kis logikai lépések. Ebben felhasználtam a feszültség torzítottságra vonatkozó összefüggést és szinuszos jelek effektív értékére vonatkozó definíciót. Kiindulásként azt feltételeztem, hogy az ideális áramirányítók a különböző stratégiák esetén középértékben azonos hatásos teljesítményt vesznek fel a váltakozó feszültségű oldalról. Analitikusan vizsgáltam, hogy mekkora alapharmonikus és effektív árammal vesznek fel ugyanakkora teljesítményt. A levezetést egyfázisú egyenirányító üzemben működő áramirányítót feltételezve részleteztem, de ugyan ezekre az eredményekre lehet jutni váltóirányító üzemben, és háromfázisú hálózatra kapcsolt áramirányító esetén is. Végül személetes mutatószámokat kaptam, amelyek terheléstől függetlenül, csak a váltakozó feszültségű hálózat torzítottságától függnek. 3

4 Új tudományos eredmények 1. tézis A tézisemben egy olyan szimulációs módszer kerül bemutatásra, amely lehetővé teszi, hogy modellezéssel vizsgálhassunk közbülső egyenfeszültségű körös, négynegyedes hídkapcsolású hálózatbarát áramirányítókat. A már ismert, de még széles körben nem alkalmazott kéttartományos szimulációs módszer időtartománybeli analíziséhez készítettem az eddig alkalmazott időtartománybeli modelleknél pontosabb modelleket. A tézishez kapcsolódó altézis szimulációs eljárások gyorsítása érdekében vizsgál meg egyszerűsítési lehetőséget. 1. tézis: Kéttartományos szimulációs módszerek alkalmazásához megalkottam moduláris felépítésű, korszerű, frekvenciaváltós hálózatbarát rövidrezárt forgórészű aszinkron, és állandómágneses forgórészű szinkron motoros villamos hajtás olyan időtartománybeli modelljét, amelyet viszonylagos egységekkel, a rendszerre felírható differenciálegyenletek alapján építettem fel. A modellel lehetőség nyílt hálózatbarát mozdonyok, és a hálózati áramirányító hasonlóságára tekintettel napelemhez kapcsolódó (PV) inverterek hálózati visszahatásait is vizsgálni altézis: Szimulációs eredményekkel igazoltam, hogy közbülső egyenfeszültségű körös frekvenciaváltó hálózati visszahatásainak vizsgálatára a motor oldali áramirányítót elegendő áramgenerátoros közelítéssel figyelembe venni. Tézishez kapcsolódó publikációk: [S2]-[S16] 2. tézis A tézis egy újfajta áramszabályozási stratégiával foglalkozik, amellyel váltóirányító üzemben érdemes működtetni hálózati áramirányítókat. Az elv kedvező hatásainak bizonyítására szimulációs és mérési eredmények is szolgálnak, amelyek részletesen ismertetésre kerülnek a disszertációban. A tézishez kapcsolódó altézisek kitérnek az elv gyakorlati alkalmazására és használatának korlátaira. 2. tézis: Felharmonikusokkal szennyezett váltakozó feszültségű hálózatról üzemelő hálózatbarát üzemet lehetővé tevő hálózatoldali áramirányító váltóirányító üzeméhez megalkottam egy olyan áramszabályozási módszert, amelynek alkalmazásakor az áramirányító váltóirányító üzemében egyfázisú esetben áramának alapharmonikusa a kapcsain lévő hálózati feszültség alapharmonikusával arányos, de ellenfázisban van, míg az áramának felharmonikusai a hálózati feszültség felharmonikusaival arányosak és fázisban vannak. Háromfázisú esetben az áramirányító visszatápláló üzemében az alapharmonikus áramvektora a kapcsain lévő hálózati alapharmonikus feszültségvektorral arányos, de ellentétes irányú, míg az áramának felharmonikus vektorai a hálózati feszültség felharmonikus vektoraival arányosak és egyirányúak. Azaz a rendszer az alapharmonikus áramra nézve termelőként, míg a felharmonikus áramokra nézve fogyasztóként viselkedik. Az arányossági tényezők alapharmonikus és felharmonikus áramokra megegyeznek. Egyfázisú esetben szimulációs és mérési eredményekkel bizonyítottam, hogy a módszer alkalmazásával a hálózati feszültség torzítottságának csökkentését lehet elérni altézis: Kidolgoztam, hogy a tézisben megfogalmazott elvet úgy lehet alkalmazni áramszabályozóval és impulzus szélesség modulációs (ISZM) vezérlővel ellátott egyfázisú 4

5 hálózatra kapcsolódó hálózatoldali áramirányító működtetésére, hogy feszültség érzékelő eszközzel képezzük az áramirányító kapcsain lévő hálózati feszültség hullámalakját (u h ), amelyből alapharmonikus képző eszközzel meghatározzuk az alapharmonikusát (u h1 ), majd képezzük a meghatározott hullámalak és alapharmonikusának különbségét ( u h =u h -u h1 ), végül a képzett különbségi jelet kivonjuk az alapharmonikus jelből (u h1 - u h ). Az így kapott jellel tápláljuk az áramirányító áram alapjel képzőjének hullámalak meghatározó bemenetét. Háromfázisú hálózatra kapcsolódó áramirányító működtetésére az egyfázisú rendszernél bemutatott alapjel képzéshez hasonlóan, minden fázisra meg kell határozni a u h1 - u h különbségi jelet altézis: Megállapítottam, hogy ha az elvet alacsony kapcsolási frekvenciát lehetővé tevő kapcsolóelemekkel felépített nagy teljesítményű hajtások hálózatoldali áramirányítóiban alkalmazzuk, érdemes a hálózati feszültség magasabb rendszámú komponenseit kiszűrni, hogy ezek ne jelenjenek meg az ISZM modulátort működtető vezérlő jelben, mivel az ISZM modulátoros feszültséginverter nem tudja megfelelően követni a vezérlő jel magasabb rendszámú harmonikusait. Célszerű a szűrést az áram alapjel képző hullámalak meghatározó bemenetén elvégezni. Tézishez kapcsolódó publikációk: [S1], [S4]-[S7] 3. tézis A tézis egyes áramszabályozási stratégiák összehasonlításával foglalkozik. Három módszert hasonlít össze, kettő ezek közül széles körben alkalmazott, míg a harmadik a második tézispontban megfogalmazott új stratégia. A tézis olyan viszonyszámokat definiál, amelyek csak a váltakozó feszültségű hálózat torzítottságától függnek. A viszonyszámok az egyes stratégiák által kikényszerített effektív és alapharmonikus áramok összehasonlítását teszik lehetővé. A tézishez kapcsolódó altézis javaslatot ad, hogy négynegyedes hálózatbarát áramirányítók egyes üzemállapotában melyik stratégiát érdemes alkalmazni, és hogyan érdemes megvalósítani a stratégiák közötti váltást. 3. tézis: Hálózatbarát áramirányítóknál alkalmazható, az áramirányító kapcsain lévő hálózati feszültség pillanatértékével arányos, hálózati feszültség alapharmonikusának pillanatértékével arányos, illetve a 2. tézisben meghatározott áramszabályozási stratégiák összehasonlítására az áramirányító által kikényszerített alapharmonikus és effektív áramok összehasonlítására meghatároztam terheléstől független, csak a hálózati feszültség torzítottságától függő mutatószámokat altézis: Megállapítottam, hogy négynegyedes hídkapcsolású hálózati áramirányítóknál érdemes különböző szabályozási, vezérlési stratégiát alkalmazni váltóirányító és egyenirányító üzemmódban. Az üzemmódok közötti váltást vagy a hálózati áram amplitúdójának előjelét meghatározó egyenfeszültség szabályozó kimenetének előjele, vagy az egyenfeszültségű körben folyó áram középértékének iránya alapján lehet megvalósítani. Tézishez kapcsolódó publikációk: [S1], [S4], [S7], [S8], [S11], [S14], [S16] 5

6 Tézisek gyakorlati alkalmazása Az első tézisben részletezett modellekkel és szimulációs környezettel hálózatbarát áramirányítók hálózati visszahatásait lehet analizálni. A disszertációban két alkalmazási terület került bemutatásra: hálózatbarát mozdonyok és PV inverterek vizsgálata. A szimulációs környezet lehetőséget nyújt más felépítésű közbülső egyenfeszültségű körös konverterek hálózati visszahatásainak vizsgálatára, például megújuló energiaforrásokhoz tartozó rendszerek hálózati visszahatásainak analizálására. A későbbiekben szeretném az implementált környezetet felhasználni PV inverterek hálózati szűrőinek vizsgálatára. A második tézisben bemutatott elvet elsősorban torzított hálózatra kapcsolt áramirányítóknál érdemes alkalmazni, azoknál az alkalmazásoknál, ahol nincs lehetőség a hálózati ágban folyó áram mérésére, csak az áramirányító váltakozó feszültségű kapcsain. Számos alkalmazásban lehet hasznosítani, ezekre néhány példa: - váltakozó feszültségű rendszereknél vasúti vontatásban hálózatbarát mozdonyok számára, - közös egyenfeszültségű hálózatról üzemelő csoportos szabályozott villamos hajtások egyenfeszültségű hálózatának előállítására (pl. robot-, daru-, hengersor stb. hajtások), - megújuló energiaforrások villamos hajtásrendszerei számára, például háztartási méretű kiserőművek hálózati áramirányítóiban, - egyenfeszültségű villamosenergia elosztó rendszerek hálózati áramirányító részében. Amennyiben az adott hálózatoldali áramirányító hálózatbarát tulajdonsággal rendelkezik, kapcsolható félvezetőelemeket tartalmaz, és a működtetéséhez hálózati feszültségérzékelővel van ellátva, az elvet egyszerűen meg lehet valósítani analóg vagy digitális szabályozó rendszerének módosításával. Négynegyedes üzemet lehetővé tevő hálózatoldali áramirányítókban pedig érdemes a harmadik tézishez kapcsolódó altézisben bemutatott átkapcsoló egységet alkalmazni. Azaz a hálózat torzítottságát úgy lehet hatékonyan csökkenteni, ha az áramirányító egyenirányító üzemében a kapcsain lévő feszültséggel arányos áram alapjellel működtetjük, míg váltóirányító üzemében a második tézis új stratégiájával üzemeltetjük. Saját publikációk jegyzéke 1 S1. Balázs Gergely György, Horváth Miklós, Schmidt István: Vezérlő berendezések és vezérlési eljárások áramirányító eszközhöz. Ügyszám: P , Benyújtás helye: Magyarország, Magyar szabadalom: Benyújtás: 2012.júl.30. S2. G. Gy. Balázs, I. Schmidt, P. Kiss: Harmonic Penetration Analyses for DC-Link Frequency Converter Drive Systems by Considering the Motor-Side Converter as an Ideal Current Generator International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 13). Bilbao, Spanyolország, Paper 573. (közlésre elfogadva, a konferencia cikkek megjelennek a Renewable Energy and Power Quality Journal folyóirat 2013 márciusi számában (ISSN X)) 1 Saját publikációim jegyzéke a BME Publikációs Adattár sorrendjét követi, a szabadalom előre helyezésével 6

7 S3. G. Gy. Balázs, P. Kiss: Effect on Power Quality of Numerous PV Inverters Connected to the Same LV Network in a Suburban Area International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 13). Bilbao, Spanyolország, Paper 477. (közlésre elfogadva, a konferencia cikkek megjelennek a Renewable Energy and Power Quality Journal folyóirat 2013 márciusi számában (ISSN X)) S4. Gergely György Balázs, Miklós Horváth, István Schmidt: New Current Control Method for Grid-Connected Inverter of Domestic Power Plant. EPE-PEMC th International Power Electronics and Motion Control Conference. Újvidék, Szerbia, pp Paper 482. S5. G G Balázs, M. Horváth, I. Schmidt, P. Kiss: Examination of New Current Control Methods for Modern PWM Controlled AC Electric Locomotives. 6th IET Power Electronics, Machines and Drives Conference Bristol, Anglia, pp Paper c.2.4 (0276). (ISBN: ) S6. G G Balázs, P Kiss, M Horváth, I Schmidt: Application of the Double Domain Simulation in Comparison of New Current Control Methods for PWM Controlled AC Electric Locomotives. 15th IEEE International Conference on Harmonics and Quality of Power. Hong Kong, Kína, Hong Kong: pp Paper S7. Balázs Gergely György: Hálózatbarát mozdony hálózatoldali áramirányítójának új áramszabályozási módszerei: II. Mechwart András Ifjúsági Találkozó. Konferencia, Budapest, Magyarország, pp (ISBN: ) S8. G Gy Balázs, I. Schmidt, M. Horváth: Analytical and Simulation Comparison of Sinusoidal and Resistive Modulation Strategies for Network-Friendly Three-Phase Grid-Connected Inverters. Periodica Polytechnica-Electrical Engineering 55: 11 p. (2011) S9. Balázs Gergely György: Mozdonytól a versenyautóig - villamos hajtású jármű projektek. I. Mechwart András Ifjúsági Találkozó. Konferencia, Budapest, Magyarország, S10. P. Kiss, G. Gy. Balázs, A. Dán, I. Schmidt: The Application of the Double Domain Simulation with PWM Controlled Locomotives: 14th IEEE International Conference on Harmonics and Quality of Power Bergamo, Olaszország, pp S11. G Gy Balázs, M. Horváth, I. Schmidt: Features of Sinusoidal and Resistive Current Loads in Harmonic Distorted Networks. EPE-PEMC' th International Power Electronics and Motion Control Conference Ohrid, Macedónia, pp Paper

8 S12. Balázs Gergely György: Hálózatbarát vasúti járműhajtások vizsgálata. VIK60 - Erősáram a fiatalok szemével: Ünnepi konferencia a VIK 60 éves fennállása alkalmából. Budapest, Magyarország, S13. Balázs G Gy, Horváth M, Schmidt I: Hálózatszennyezés csökkentése egyfázisú hálózatbarát áramirányítók alkalmazásával. Elektrotechnika 103:(3) pp (2010) S14. Balázs G Gy, Horváth M, Schmidt I: Comparison of Sinusoidal and Resistive Modulation Strategies for Single Phase Four Quadrant Converters. Electrotechnica Electronica Automatica 58:(3) pp (2010) S15. Balázs G Gy, Schmidt I: Váltakozó feszültségről táplált járművek hálózatkímélő üzeme. Elektrotechnika 102:(1) pp (2009) S16. Balázs G Gy, Schmidt I, Horváth M: Control Methods of Alternating Voltage-Fed Vehicles' Modern Line-Side Converters 2nd International Youth Conference on Energetics. Budapest, Magyarország, Budapest: pp Paper 447. (ISBN: ) Téziseket közvetlenül nem érintő közlemények: S17. dr Vincze Gyuláné, Balázs Gergely György: Villamos járművek. Nemzeti Fejlesztési Ügynökség, Elektronikus jegyzet, 132 old S18. Gergely György Balázs, Zalán Kohári, Norbert Elek: Konzept einer elektrischen Fahrzeug mit Radnabenmotorantrieb. Audi Production Award Ingolstadt Németország, pp S19. Szentmiklóssy B, Balázs G Gy, Kerekes S: Ultracapacitors as a Primary Energy Storage Device in Public Transport. IYCE International Youth Conference on Energetics. Budapest, Magyarország, (BME) Budapest: pp Paper 193. (ISBN: ) S20. Szentmiklóssy B, Balázs G Gy, Kerekes S: Trolibusz felső-vezeték nélkül. XII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka: FMTÜ Kolozsvár, Románia, Kolozsvár: Erdélyi Múzeum-Egyesület, pp Paper 43. (ISBN: ; ) S21. Balázs G Gy, Szentmiklóssy B, Kerekes S: Ultrakapacitások tulajdonságainak vizsgálata; mért és szimulációs eredmények. XII. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka: FMTÜ Kolozsvár, Románia, Kolozsvár: Erdélyi Múzeum-Egyesület, pp Paper 8. (ISBN: ; ) S22. Balázs G Gy, Szentmiklóssy B, Kerekes S: Long Term and Direct Current Behaviour of the Ultracapacitor by Comparing Measured and Simulated Results. IYCE International Youth Conference on Energetics. Budapest, Magyarország, (BME) Budapest: pp Paper 149. (ISBN: ) 8