Wielopoziomowy falownik napięcia z poziomowaniem diodowym (NPC) zasilany z wyodrębnionych alternatywnych źródeł energii, pracujących przy różnych wartościach mocy maksymalnej (MPP)

Autor: mgr inż. Miłosz Szarek
Promotor: prof. dr hab. inż. Stanisław Piróg
Dyscyplina: Elektrotechnika - Energoelektronika

Światowy przyrost liczby ludności, ciągły rozwój cywilizacyjny oraz postępująca rewolucja technologiczna, wiążą się ze zwiększonym zużyciem i zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Wykorzystywanie głównie paliw kopalnych do jej generacji skutkuje intensywną eksploatacją złóż naturalnych, prowadzącą do wzrostu cen rynkowych surowców, jak również degradacji oraz zanieczyszczenia środowiska. Z tego względu istnieje realna konieczność stosowania nowych metod pozyskiwania oraz przekształcania energii elektrycznej. Od wielu lat można zauważyć postępujący wzrost zainteresowania oraz wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE), takich jak: promieniowanie słoneczne, wiatr, woda, geotermia. Postęp technologiczny w masowej produkcji układów półprzewodnikowych spowodował gwałtowny rozwój energoelektronicznych systemów przekształcania energii elektrycznej. Prace badawcze związane z wielopoziomowymi falownikami napięcia umożliwiają ich efektywne zastosowanie do przekształcania dużych wartości mocy, pozyskiwanych np. z elektrowni fotowoltaicznych lub farm wiatrowych. Z tego względu w ostatnich latach można zauważyć gwałtowny rozwój elektrowni bazujących na tego typu odnawialnych źródeł energii.

Niniejsza rozprawa doktorska dotyczy zastosowania trójpoziomowego falownika napięcia z poziomowaniem diodowym (NPC) do przekształcania energii elektrycznej w elektrowniach fotowoltaicznych (PV). Falownik ten zasilany jest z dzielnika kondensatorowego, rozdzielającego linię napięcia stałego (DC) na dwie części. Do każdej z nich mogą zostać podłączone niezależne przekształtniki prądu stałego DC-DC (najczęściej podwyższające napięcie), pozyskujące energię z wejściowych łańcuchów modułów PV. Wówczas, możliwe jest dwukrotne zwiększenie wartości całkowitego napięcia DC, lub zapewnienie pracy przekształtników DC-DC z mniejszym współczynnikiem wzmocnienia napięciowego. Daje to możliwość zastosowania łączników półprzewodnikowych o mniejszym napięciu pracy, poprawienia sprawności procesu przekształcania energii elektrycznej oraz zwiększenia uzysku energetycznego, poprzez możliwość dokładniejszego wyznaczenia punktu mocy maksymalnej zestawu o mniejszej liczbie modułów PV. Jednak, zmienne warunki pracy (nierównomierny rozkład natężenia promieniowania słonecznego, temperatury złącz półprzewodnikowych ogniw PV, częściowe zacienianie powierzchni elektrowni solarnej) oraz technologiczny rozrzut parametrów modułów fotowoltaicznych, powodują działanie poszczególnych źródeł w różnych punktach mocy maksymalnej (MPP). Występowanie takich zjawisk skutkuje niezrównoważeniem napięć każdej z części dzielnika pojemnościowego, zasilającego trójpoziomowy falownik typu NPC. Prowadzi to do odkształcenia przebiegów generowanych prądów trójfazowych (wzrost THD), a w skrajnej sytuacji może spowodować awarię systemu przekształcania energii elektrycznej. Z tego powodu, głównym celem niniejszej pracy było opracowanie oraz implementacja metody równoważenia napięć dzielnika kondensatorowego, trójpoziomowego falownika napięcia typu NPC, w sytuacji niezrównoważenia mocy źródeł zasilających każdą z jego części.

W pracy doktorskiej wykonano analizę wszystkich rodzajów dyskretnych wektorów napięcia trójfazowego, możliwych do wygenerowania przez trójpoziomowy falownik typu NPC oraz ich wpływu na wartość napięć wejściowego dzielnika pojemnościowego. W rezultacie, opracowana została 7-segmentowa wektorowa metoda modulacji szerokości impulsów (SVM), której działanie przetestowano w programie symulacyjnym Matlab\Simulink. Na jej podstawie opracowany został algorytm równoważenia napięć zasilających falownik typu NPC, wykorzystujący dodatkową modulację czasu trwania krótkich wektorów redundantnych (typu P-N). Sposób jego pracy oraz efektywność działania została zweryfikowana analitycznie oraz poprzez badania symulacyjne. Wykonana analiza numeryczna zmodyfikowanej metody modulacji wektorowej, pozwoliła wyznaczyć zależności analityczne, opisujące wartość maksymalnego oraz dopuszczalnego w danym punkcie pracy niezbalansowania mocy źródeł, które może zostać skompensowane za pomocą zaproponowanego algorytmu sterowania.

W celu przeprowadzenia badań symulacyjnych, zaproponowany oraz zaimplementowany w postaci funkcji programu Matlab\Simulink został model fotoogniwa. Wykorzystano go podczas badań symulacyjnych modelu systemu fotowoltaicznego w sytuacji zmiennych warunków natężenia promieniowania słonecznego. Zastosowano w nim algorytm poszukiwania punktu mocy maksymalnej kaskady modułów PV, bazujący na znaku konduktancji inkrementalnej (IC-MPPT). W ramach pracy doktorskiej zaproponowano algorytm o zmiennej strukturze sterowania przekształtnikami DC-DC podwyższającymi napięcie, skonfigurowanymi w topologię symetryczną. Umożliwia on stabilizację napięcia obwodu pośredniczącego DC podczas procedury startu i podłączania falownika typu NPC do trójfazowej linii zasilającej, a następnie realizację zaimplementowanego algorytmu IC-MPPT danego łańcucha modułów fotowoltaicznych. W celu zapewnienia właściwej synchronizacji falownika napięcia z chwilowymi wartościami napięć trójfazowych, opracowany i zaimplementowany został algorytm pętli synchronizacji fazowej (SRF-PLL), bazujący na składowych ortogonalnych dq wirującego układu odniesienia.

Ostatnim etapem pracy doktorskiej był projekt oraz konstrukcja laboratoryjnego, energoelektronicznego przekształtnika energii elektrycznej, dedykowanego do zastosowań w systemach fotowoltaicznych. Składał się on z trójpoziomowego falownika napięcia typu NPC, sprzęgniętego linią napięć trójfazowych, zasilanego z dwóch niezależnych przekształtników prądu stałego podwyższających napięcie, połączonych w topologię symetryczną. Wszystkie opracowane algorytmy sterowania zostały zaimplementowane w jednostce obliczeniowej, wyposażonej w układ logiki programowalnej FPGA. Osiągnięte rezultaty badań teoretycznych oraz symulacyjnych, zostały pomyślnie zweryfikowane podczas wykonanych testów laboratoryjnych.

Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/N/ST7/02424.

Pełna wersja autoreferatu Autoreferat

• prof. dr hab. inż. Marek Hartman Recenzja 1
  
• prof. dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka Recenzja 2
  

• prof. dr hab. inż. Marek Hartman Recenzja 1 - odpowiedzi
  
• prof. dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka Recenzja 2 - odpowiedzi

Rozprawa udostępniona publicznie Rozprawa doktorska

1. Baszyński M., Penczek A., Szarek M., Piróg S., Mondzik A., Metody synchronizacji przekształtników energoelektronicznych z siecią zasilającą – Phase-locked loop for grid-connected power electronics converters, Przegląd Elektrotechniczny - Electrical Review, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, ISSN 0033-2097, 2010r. 86 nr 2 s. 335–341.
   
   
2. Stala R., Szarek M., Oszacowanie strat energii w systemie fotowoltaicznym na podstawie symulacji czasu rzeczywistego w układzie FPGA – Energy losses estimation of photovoltaic system based on the FPGA real-time simulation, Przegląd Elektrotechniczny - Electrical Review, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, ISSN 0033-2097, 2010r. 86 nr 2 s. 364–369.
   
   
3. Penczek A., Szarek M., Stala R., Stawiarski Ł., Symulacje czasu rzeczywistego przekształtników impulsowych, zrealizowane w układach FPGA, dla celów badawczych i edukacyjnych – Hardware-in-the-Loop FPGA-based simulations of switch-mode converters for research and educational purposes, Przegląd Elektrotechniczny - Electrical Review, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, ISSN 0033-2097, 2011r. 87 nr 11 s. 194–200.
   
   
4. Szarek M., Stawiarski Ł., Mondzik A., Stala R., Penczek A., Jednofazowy system fotowoltaiczny dołączany do linii elektroenergetycznej – Single-phase Grid-connected photovoltaic system, Przegląd Elektrotechniczny - Electrical Review, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, ISSN 0033-2097, 2012r. 88 nr 2 s. 218–222.
   
   
5. Penczek A., Stala R., Szarek M., Stawiarski Ł., Mondzik A., Modelowanie i realizacja praktyczna symulatora sprzętowego systemów fotowoltaicznych z wykorzystaniem układów FPGA – Modeling and practical realization of hardware-in-the-loop FPGA based photovoltaic system simulator, Przegląd Elektrotechniczny - Electrical Review, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, ISSN 0033-2097, 2012r. 88 nr 4b s. 175–180.
   
   
6. Szarek M., Stawiarski Ł., Penczek A., Mondzik A., Jednofazowy system fotowoltaiczny o zmiennej strukturze sterowania, dołączany do linii elektroenergetycznej – Single-phase grid-connected photovoltaic system with variable control structure, Przegląd Elektrotechniczny - Electrical Review, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, ISSN 0033-2097, 2013r. 89 nr 2a s. 34–39.
   
   

1. Baszyński M., Penczek A., Szarek M., Piróg S., Mondzik A., Metody synchronizacji przekształtników energoelektronicznych z siecią zasilającą – Phase-locked loop for grid-connected power electronics converters, IX Krajowa Konferencja Naukowa - Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym, Łódź, 18–20 listopada 2009r., publikacja w materiałach konferencyjnych.
   
   
2. Stala R., Szarek M., Oszacowanie strat energii w systemie fotowoltaicznym na podstawie symulacji czasu rzeczywistego w układzie FPGA – Energy losses estimation of photovoltaic system based on the FPGA real-time simulation, IX Krajowa Konferencja Naukowa - Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym, Łódź; 18–20 listopada 2009r., publikacja w materiałach konferencyjnych.
   
   
3. Szarek M., Stala R., Stawiarski Ł., Single Phase Grid-connected PV System with Time-sharing Modulation and PI-type Regulators for DC-DC Boost Converter and Full-bridge Inverter, 14-ta Międzynarodowa Konferencja Naukowa EPE-PEMC 2010 – 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, Ochryda, Republika Macedoni, 978-1-4244-7855-2/10/$26.00 ©2010 IEEE, s. T12 68 – T12 75.
   
   
4. Penczek A., Stala R., Szarek M., Stawiarski Ł., Mondzik A., Modelowanie i realizacja praktyczna symulatora sprzętowego systemów fotowoltaicznych z wykorzystaniem układów FPGA – Modeling and practical realization of hardware-in-the-loop FPGA based photovoltaic system simulator, X Krajowa Konferencja Naukowa - Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym, Łódź, 16–18 listopada 2011r., publikacja w materiałach konferencyjnych.