DIZAJN I IMPLEMENTACIJA REGULATORA MREŽNE STRANE PRETVARAČA EMULIRANOG VJETROAGREGATA

Transcription

1 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA DIPLOMSKI RAD br DIZAJN I IMPLEMENTACIJA REGULATORA MREŽNE STRANE PRETVARAČA EMULIRANOG VJETROAGREGATA Mateja Car Zagreb, lipanj i

2 Izvornik ii

3 Zahvala U prvom redu zahvaljujem svom mentoru izv. prof. dr. sc. Mariju Vašku, kao i neposrednom voditelju dr. sc. Vinku Lešiću na oblikovanju ideje, pomoći, savjetima i trudu, te svakom trenutku odvojenom za mene tijekom izrade ovog diplomskog rada. Velika hvala dr. sc. Tomislavu Pavloviću i mag. ing. Marku Gulinu za savjete i nesebično ustupanje opreme prilikom rada na praktičnim zadacima i testiranju. Hvala Ivanu, Danku i ostatku ICM-a što su me prihvatili u svoje "automatičarsko" društvo te svojim savjetima i izrazima ohrabrenja pomogli da s dodatnim samopouzdanjem privedem ovaj rad kraju. Najveća hvala mom bratu Mariju (kritičkom oku koje me usmjeravalo kad bih "zalutala"), mojim roditeljima i svim prijateljima na ljubavi i potpori tijekom cijelog studija. iii

4 SADRŽAJ 1. Uvod Unutarnji regulacijski krug Model filtra za kaskadno upravljanje Rasprežni regulatori Regulator struje pretvarača Regulator mrežne struje Simulacija unutarnjeg regulacijskog kruga PLL Rezultati simulacije upravljanja strujama Vanjski regulacijski krug DC model Regulator istosmjernog napona Rezultati simulacije upravljanja istosmjernim naponom Implementacija na laboratorijski postav Rezultati eksperimenata Zaključak Literatura Sažetak Summary Dodatak D1 Podaci D2 Transformacije D3 Vektorska modulacija iv

5 1. Uvod Elektroenergetski sustavi (EES) sastoje se od elektrana koje su s potrošačima i međusobno povezane putem električne mreže. Elektrane su postrojenja u kojima se odvija pretvorba primarne energije u električnu. Konvencionalne elektrane koriste unutarnju kaloričku (nafta, ugljen, plin), nuklearnu (uran, torij) te potencijalnu energiju (voda). Na Slici 1 prikazan je udio proizvedene energije iz konvencionalnih izvora u ukupnoj proizvodnji. Vidljivo je kako uz godišnje poraste proizvodnje svih elektrana još uvijek dominiraju ugljen i plin kao energenti, međutim može se primijetiti i porast udjela proizvodnje iz obnovljivih izvora energije, mali postotak konvencionalnih (hidroelektrane) i nekonvencionalnih (geotermalne, solarne i vjetroelektrane, biomasa). Slika 1 Prikaz promjene udjela primarnih energenata kroz godine [1] 1

6 Slika 2 Udio primarnih energenata u svijetu [1] Slika 3 Udio primarnih energenata u EU-28 [1] 2

7 Korištenje fosilnih goriva kao energenata ima za posljedicu neželjene utjecaje na zemljinu atmosferu. Naime, izgaranjem fosilnih goriva oslobađaju se staklenički plinovi koji pridonose efektu staklenika. Upravo ovakve posljedice na klimu pridonijele su brojnim sporazumima i direktivama s ciljem ograničavanja emisija stakleničkih plinova u atmosferu. Europska unija je postavila 3 glavna cilja u pogledu sprječavanja klimatskih promjena, tzv. plan Ciljevi predstavljaju 20% smanjenje emisija stakleničkih plinova, 20%-tno povećanje energetske učinkovitosti te 20%-tno povećanje udjela energija iz obnovljivih izvora do godine [3]. Slike 2 i 3 pokazuju udio primarne energije iz obnovljivih izvora u ukupnoj energiji. Noviji ciljevi uključuju povećanje udjela obnovljivih izvora na 27% do godine [4]. U obnovljive izvore energije ubrajamo sunčevu energiju, toplinsku energiju vrućih izvora, potencijalnu energiju plime i oseke, unutarnju energiju (biomasa, uljni škriljevci) te energiju vjetra. Posljednji energent je motivacija pri izradi ovog diplomskog rada. Slika 4 Godišnje novoinstalirani kapaciteti u MW [2] Prošle godine je samo u Europi instalirano preko 13 GW u energiji vjetra, čime se ukupni iznos snage instalirane u vjetroagregatima u Europi popeo na GW. Predvodnici s najvećom instaliranom snagom u Europi su Njemačka, Španjolska, UK, Francuska, Italija, Švedska i Danska. Na Slici 4 vidljivo je drastično povećanje novoinstaliranih kapaciteta koje se pojavljuje nakon godine (Posljedica plana ). U zadnjih 15 godina 3

8 udio energije proizvedene vjetroelektranama povećao se za 70%. Najveći proizvođači energije iz vjetra su Kina i SAD. Uz već navedene zemlje, među većim proizvođačima su i Indija, Kanada i Brazil (Slika 5). Slika 5 Ukupne instalirane snage vjetroagregata u svijetu [5] Slika 6 Proizvodni kapaciteti u Hrvatskoj [6] 4

9 U Hrvatskoj je najviše instaliranih kapaciteta u HE i TE. Osim navedenih, HEP raspolaže i s 348 MW snage iz NE Krško. Vjetroelektrane se u Hrvatskoj priključuju i na prijenosnu i na distribucijsku mrežu ovisno o nazivnoj snazi elektrane. Sve jedinice snage veće od 10 MW priključuju se na prijenosnu mrežu (trenutno 366 MW) dok se jedinice niže snage ubrajaju u distribuirane izvore (54.95 MW). Ukupno je instalirano MW. U razdoblju osim već priključenih vjetroelektrana, još 6 vjetroelektrana s ukupnim kapacitetom 308 MW ima s HOPS-om potpisan Ugovor o priključenju na prijenosnu mrežu [6]. Povećanje iskorištavanja energije vjetra popraćeno je s povećanjem mase i dimenzija samih vjetroagregata i razvojem tehnologija (konstrukcija i upravljanja). Pravila spajanja jedinica na mrežu te uvjete rada definiraju mrežna pravila (engl. Grid codes). Povećanje broja MWh proizvedenih od strane vjetroagregata ima i negativnih posljedica na stabilnost mreže. Naime, normalni rad EES-a temelji se na zadovoljavanju jednadžbe jednakosti snaga. Proizvedena snaga svih agregata priključenih na prijenosnu i distribucijsku mrežu mora biti dostatna za zadovoljavanje potražnje te pokrivanje gubitaka u prijenosu. Dva indikatora ispunjenosti postavljenog zahtjeva u mreži su frekvencija i napon mreže. Neravnoteža radne snage uzrokuje promjene u frekvenciji dok odstupanja proizvodnje i potrošnje jalove snage utječu na napone u čvorištima. Kako bi EES ostao stabilan i u uvjetima poremećaja u mreži (ispadi elemenata, povećanja ili smanjenja potrošnje, kvarovi i s.) definirane su razne regulacijske obveze kojih se svi proizvođači moraju pridržavati. Regulaciju frekvencije dijelimo na primarnu, sekundarnu i tercijarnu. Prema principu solidarnosti sve konvencionalne elektrane moraju sudjelovati u primarnoj rezervi s 5% nazivne snage. Sekundarna regulacija osigurava rezerve energije putem elektrana koje su sinkronizirane na mrežu, ali kapacitetom ne sudjeluju u zadovoljavanju potrošnje u normalnom radu sustava (rotirajuća rezerva), te putem brzoupuštajućih elektrana. Tercijarna rezerva temelji se na preraspodjeli proizvodnje na agregate odlukom dispečera. Naponska regulacija je vrlo slična uz razliku što je napon lokalna karakteristika, za razliku od frekvencije, te se njime upravlja zahtjevom za povećanom ili smanjenom proizvodnjom jalove snage [7]. 5

10 Za razliku od konvencionalnih elektrana, vjetroelektrane nekada nisu imale obavezu sudjelovanja niti u jednom obliku regulacije. Budući da je vjetar stohastičke prirode, snaga koju VA predaje mreži je promjenjivog karaktera te je nemoguće jamčiti doprinos određenog kapaciteta iste u traženom trenutku. Kao jedna od glavnih prepreka većoj integraciji vjetroelektrana u RH upravo je trenutna nedostatnost elektrana u sekundarnoj regulaciji koje bi ''pokrivale'' vjetroelektrane u slučaju nedovoljne proizvodnje. Navedene činjenice uvjetuju i potrebu za optimalnim iskorištavanjem energije vjetra pri svim brzinama i dovela je do razvoja metoda mehaničkog upravljanja snagom koju vjetroagregat preuzima iz vjetra [6]. Drugi problem kod priključka VA predstavlja ponašanje u uvjetima poremećaja u mreži. Nekada su se vjetroagregati isključivali s mreže pri pojavi kvarova dok je danas ovakvo ponašanje u sustavima s velikom integracijom vjetroelektrana neprihvatljivo jer narušava stabilnost EES-a. Naime, svaki generator povezan na krutu mrežu radi sinkrono s ostalim generatorima. Općenito govoreći, problem stabilnosti mreže potječe od činjenice da pojavom poremećaja dolazi do njihanja rotora i promjene kuta opterećenja. Generatori povezani na krutu mrežu vrte se sinkrono te održavaju konstantnu frekvenciju i napon. Ukoliko neki generator ne uspije povratiti sinkronu brzinu vrtnje kažemo da ispada iz sinkronizma. Ponekad se ta pojava može lančano proširiti u mreži te uzrokovati daljnja ispadanja generatora i dovesti do naponske nestabilnosti te u krajnjem slučaju naponskog sloma [8]. Zbog toga je postalo bitno definirati pravila priključka vjetroagregata na mrežu kako bi oni imali manji negativni utjecaj na stabilnost sustava odnosno u nekim slučajevima čak aktivno pridonosili stabilnosti. Glavni kriteriji koje definira većina mrežnih pravila su: iznos frekvencije, iznos napona, rad u uvjetima kvara i kvaliteta električne energije. Specifičnosti regulacije ovise od sustava do sustava, no svima je zajednička potreba za upravljanjem snagom koju vjetroagregati isporučuju mreži [9]. Mehanički načini upravljanja snagom zasnivaju se na aerodinamici lopatica. Pasivno upravljanje temelji se na ovisnosti sile uzgona o napadnom kutu lopatice. Naime lopatica je projektirana da pri određenom ostvaruje najveći uzgon. Ukoliko je brzina vrtnje 6

11 generatora konstantna, povećanjem brzine vjetra povećava se napadni kut, a time i zakretni moment. Snaga generatora povećava se do maksimalnog napadnog kuta. Pri brzinama vjetra koje rezultiraju napadnim kutom većim od dolazi do tzv. efekta propadanja krila (engl. Stall effect) odnosno, smanjenja momenta na lopaticu. Na ovaj način se upravlja snagom vjetroagregata bez potrebe za aktuatorima, međutim konstrukcijska opterećenja su velika. Ovakvim upravljanjem optimalno iskorištavanje energije vjetra ostvaruje se samo na nazivnoj brzini vjetra jer je generator spojen direktno na mrežu i njegova brzina vrtnje je konstantna, određena frekvencijom mreže. Također nije moguće upravljati jalovom snagom niti kvalitetom energije, sve oscilacije momenta uzrokovane promjenama brzine vjetra prenose se direktno u mrežu [10]. Aktivnim upravljanjem (engl. Pitch control) postiže se veća efikasnost u iskorištavanju snage vjetra nego kod pasivnog upravljanja. Kod aktivnog upravljanja lopatice se zakreću oko svoje uzdužne osi te se mijenja kut zakreta. Nedostatak ovog načina upravljanja jest potreba za aktuatorima za zakretanje lopatica, jer svaki dodatni aktuator povećava mogućnost kvara, te složenijim sustavima upravljanja. Konstrukcijska opterećenja koja su izražena kod pasivnog upravljanja ovakvim upravljanjem postaju znatno manja Optimalno upravljanje uključuje upravljanje ispod i iznad nazivne brzine vjetra. Pri brzinama većim od nazivne zakretanjem lopatica brzina vrtnje vjetroturbine postavlja se na nazivni iznos, čime se ograničava snaga koju turbina preuzima iz vjetra. U području ispod nazivne brzine vrtnje optimira se iskorištenje energije vjetra. Optimiranje se temelji na ovisnosti snage koju turbina preuzima iz vjetra o brzini vjetra i brzini vrtnje turbine ( ). Karakteristika ovisnosti koeficijenta snage o omjeru brzina (engl. Tip speed ratio, TSR) ima maksimum pri određenom omjeru brzina (optimalni omjer brzina). Promjenom brzine vjetra, uz konstantnu brzinu vrtnje rotora vjetroturbine, mijenja se omjer brzina. Posljedica je lošije iskorištavanje energije vjetra. Optimalno upravljanje snagom u području ispod nazivne brzine vjetra temelji se na upravljanju momentom generatora kako bi se pri svakoj brzini vjetra osigurao optimalni omjer brzina, a time i optimalno iskorištavanje snage vjetra [10]. 7

12 Slika 7 Upravljanje vjetroagregatom [10] Ovakvo upravljanje moguće je samo ukoliko je dopuštena promjenjiva brzina vrtnje generatora. Dvije su konfiguracije u kojima se generator na mrežu ne spaja izravno već preko frekvencijskog pretvarača. Prva se konfiguracija naziva nadsinkrona kaskada ili dvostruko napajani asinkroni motor (engl. Doubly Fed Induction Generator, DFIG) jer se na mrežu spaja u dvije točke. Na Slici 8 može se vidjeti kako je stator generatora spojen izravno na mrežu dok se rotor na mrežu spaja preko frekvencijskog pretvarača. Ovakvim spojem omogućene su promjene brzine vrtnje generatora, ali u uskim granicama [10] [11]. Slika 8 Konfiguracija nadsinkrone kaskade [10] 8

13 Drugo rješenenje je spoj sinkronog generatora na mrežu preko frekvencijskog pretvarača (full scale power converter). Na ovaj način generator i mreža su odvojeni. Omogućeno je bolje ponašanje u uvjetima kratkotrajnih smetnji na mreži koje VA mora izdržati u pogonu (engl. fault ride through). Glavna prednost je što se brzina vrtnje generatora može mijenjati u širokom rasponu dok je glavni nedostatak što frekvencijski pretvarač mora biti dimenzioniran za punu snagu generatora dok je u DFIG konfiguraciji dimenzioniran za trećinu nazivne snage te time ima nižu cijenu. Napredak poluvodičke tehnologije snižava cijenu pretvarača čime se povećava njihova ekonomska isplativost [10] [11]. Slika 9 Spoj sinkronog generatora na mrežu preko frekvencijskog pretvarača [10] Osnovna namjena frekvencijskog pretvarača je promjena određenih parametara električne energije. Dva su načina izvedbe AC/AC pretvarača: direktna i indirektna. Prednost direktne su manji sklopni gubici međutim češće se javlja indirektna izvedba koja uključuje postojanje istosmjernog međukruga. Frekvencijski pretvarači korišteni za povezivanje vjetroagregata s mrežom su neizravni trofazni AC/AC pretvarači s istosmjernom vezom (engl. back-to-back). S obzirom na mjesto ugradnje razlikujemo pretvarač na strani generatora (generatorski) i pretvarač na strani mreže (mrežni pretvarač). Istosmjerni krug odvaja dva pretvarača te je moguće upravljati svakim zasebno, uz uvjet održavanja istosmjernog napona konstantnim. Mrežni pretvarač je najčešće trofazni inverter koji se sastoji od 6 IGBT-ova (engl. Insulated-gate bipolar transistor) s povratnim diodama. Radi se o strujno dvosmjernim i naponski unipolarnim 9

14 sklopkama, koje zbog ugrađene povratne diode omogućavaju tok energije u oba smjera. Generatorska strana je najčešće trofazni diodni most u kombinaciji s DC-DC pretvaračem, međutim javlja se i izvedba s IGBT-ovima koji rade kao ispravljač na generatorskoj strani. IGBT-ovi su upravljani nekom od metoda modulacije poput upravljanja širinom impulsa (engl. pulse width modulation, PWM) ili vektorske modulacije (engl. Space vector modulation, SVM). Mrežni pretvarač je zadužen za održavanje istosmjernog napona konstantnim. Dvije su osnovne izvedbe mrežnog pretvarača: CSC (engl. Current source converter) i VSC (engl. Voltage source converter). CSC injektira DC struju, a spremnik je veći induktivitet. Ova izvedba je rijetka. Češća je izvedba VSC kod koje se na ulazu u inverter nalazi istosmjerni napon Udc, a spremnik energije je kondenzator. VSC kontrolira tok snage upravljanjem amplitudom i fazom napona na izlazu [11] [12]. U ovome radu izvedeno je upravljanje mrežnim VSC pretvaračem metodom VOC (eng. Voltage oriented control). Upravljanje se temelji na višepetljastom upravljanju (engl. Multiloop). U radu su izvedeni model LC filtra, razrađeno je upravljanje strujama, zatim je izveden model istosmjernog međukruga i regulacija istosmjernog napona. Svi modeli i regulacijski krugovi provjereni su simulacijama u Matlabu/Simulinku uz korištenje PLECSa. PLECS je alat koji omogućuje modeliranje električnih krugova te simulaciju i kombinaciju istih s regulacijskim krugovima modeliranim u Simulink okruženju. Dobiveni upravljački krug je zatim implementiran i testiran u eksperimentalnom okruženju. 10

15 2. Unutarnji regulacijski krug Unutarnja petlja zadužena je za brzo postavljanje struje, a posredno i izmjeničnog napona na izlazu pretvarača. Zbog sklapanja invertera napon ima pravokutni oblik, te se i u struji javljaju viši harmonici. Mrežni zahtjevi propisuju kvalitetu struje koja se smije slati u mrežu u vidu dozvoljenog ukupnog harmoničkog izobličenja (engl. Total harmonic distortion, THD). Zbog udovoljavanja mrežnim zahtjevima, struja na izlazu pretvarača se filtrira [11]. U eksperimentalnom postavu korišten je LC filtar. Kako bi se izvelo upravljanje mrežnom strujom, potrebno je izvesti prijenosnu funkciju LC filtra, a zatim na temelju iste projektirati regulator. U kaskadnom se upravljanju osnovna funkcija procesa dijeli na dva ili više dijelova. Time se prijenosne funkcije procesa pojednostavnjuju. Prednost je ovakvog upravljanja brža i bolja kompenzacija poremećaja jer se upravlja s više veličina. Svaka povratna veza predstavlja dodatnu informaciju te se poremećaj u unutarnjim petljama može kompenzirati prije nego se njegov utjecaj prenese na krajnju izlaznu veličinu [13]. U ovome radu unutarnji krug je podjeljen na dvije petlje. Pojednostavljeni prikaz modela prikazan je na Slici 10. Unutarnji krug upravlja strujom pretvarača te na izlazu daje referentni napon pretvarača, dok vanjski upravlja mrežnom strujom jer o istoj ovisi injekcija snage u mrežu. Vanjski krug daje referentnu veličinu unutarnjem. Slika 10 Kaskadni model unutarnjeg kruga 11

16 2.1. Model filtra za kaskadno upravljanje Slika 11 LC filtar Na Slici 11 prikazan je model jedne faze kruga na izlazu iz pretvarača. Varijable predstavljaju osnovni harmonik napona na izlazu iz pretvarača te napon mreže, i i predstavljaju struju pretvarača i struju mreže (engl. grid), a i predstavljaju induktivitet i kapacitet LC filtra. Također, u model su uzeti u obzir omski otpor induktiviteta, te prigušni otpornik. Desna se grana uobičajeno modelira kao impedancija mreže međutim, budući da su induktivitet i otpor mreže vrijednosti koje se procjenjuju, a mjerenje mrežnog napona na eksperimentalnom postavu se odvija na izlazu iz filtra, regulacijski krug se u ovome slučaju modelirao samo za poznate vrijednosti. Budući da se radi o trofaznom sustavu, model je izveden za jednu fazu međutim, može se analogno primijeniti i u ostalima. LC filtar se za potrebe kaskadnog upravljanja može promatrati kao dvije cjeline: L, odnosno RL i C dio. Prvi dio daje ovisnost iznosa napona o struji pretvarača dok drugi dio povezuje mrežnu struju sa strujom pretvarača. 12

17 Slika 12 LC filtar, L dio Na Slici 12 prikazan je L dio filtra. Pomoću Kirchoffovih pravila za napone i struje postavljaju se osnovne jednadžbe prikazanog kruga.. (2.1) Izmjenične veličine u gore navedenoj jednadžbi transformiraju se u istosmjerne kako bi se olakšalo upravljanje. Regulatori će kao referentnu veličinu primati dq komponente trofaznih izmjeničnih struja te na izlazu davati dq komponente referentnog napona koji će se odgovarajućim inverznim transformacijama vratiti u trofazni sustav. Dakle, potrebno je provesti Clarkeovu i Parkovu transformaciju nad veličinama koje želimo regulirati. Jednadžba (2.1) zapisuje se u diferencijalnom obliku: (2.2) Budući da se u izrazu pojavljuje derivacija trofazne veličine, kako bi se olakšalo dobivanje dq komponenata, umjesto matrica transformacije koristi se Eulerov zapis. Naime, dq sustav rotira brzinom u odnosu na mirujući sutav te vrijedi relacija [15] : (2.3) 13

18 Slika 13 Prikaz međusobnog prostornog odnosa i dq sustava [15] Sada se lako dobiva prva derivacija izraza (2.3): (2.4) Budući da jednadžba (2.2) vrijedi za sve tri faze, zakretanjem svake prostorno za 120 u odnosu na prethodnu, te njihovim zbrajanjem, svaka od veličina vektor koji se sastoji od abc komponenata izmjeničnog sustava sada postaje. Uvrštavanjem jednadžbe (2.4) u jednadžbu (2.2) prelazi se na dq sustav: (2.5) Zatim se izjednačavanjem imaginarnog i realnog dijela lijeve i desne strane dobivaju izrazi za d i q komponente ( ): 14

19 (2.6) (2.7) Laplaceovom transformacijom nad dobivenim izrazima dobivaju se ovisnosti struja u d i q osi o mrežnom i naponu pretvarača: (2.8) (2.9) (2.10) Točnost dobivenih prijenosnih funkcija provjerena je simulacijski. U PLECS-u je modeliran LC filtar. Struje i naponi dobiveni u PLECS-u uspoređeni su s odzivima dobivenim pomoću prijenosnih funkcija u Simulinku. U PLECS-u je na LC filtar (parametri navedeni u dodatku D1) s obje strane priključen trofazni generator. Razlika amplituda generiranih napona iznosila je 1 V. Generator na višem potencijalu predstavlja stranu pretvarača, a drugi generator predstavlja mrežnu stranu. Sve veličine u PLECS-u su na dq komponente rastavljenje pomoću kuta dobivenog jednostavnom integracijom nazivne kružne frekvencije. Za potrebe simulacije L dijela filtra kondenzatori su odspojeni. Na idućim slikama prikazana je usporedba odziva dobivenih modelom L dijela filtra i odziva dobivenih PLECS-om. 15

20 Slika 14 Struja pretvarača, d komponenta Slika 15 Struja pretvarača, q komponenta 16

21 Odstupanja d i q komponenata struje pretvarača iznose približno % te %. Promotri li se sada i drugi dio filtra, C dio, dolazi se do prijenosne funkcije ovisnosti struje pretvarača o mrežnoj struji: Slika 16 LC filter, C dio (2.11) Jednadžba (2.11) zapisuje se u diferencijalnom obliku, te se analognim postupkom abc veličine pretvaraju u istosmjerne dq komponente rotirajućeg koordinatnog sustava (Jednadžba (2.12)) (2.12) Dobivena jednadžba ponovno se razdvaja na imaginarni i realni dio te se nad njom provodi Laplaceova transformacija. Kao rezultat se dobivaju izrazi za mrežne struje u ovisnosti o struji pretvarača i mrežnom naponu,. Uvrštavanjem izraza za mrežnu struju u d osi u izraz za mrežnu struju u q osi i obratno, funkcije se pojednostavljuju: (2.13) 17

22 (2.14) (2.15) Prijenosne funkcije (2.13) i (2.14) također su provjerene simulacijom na istoj shemi kao i u prethodnom slučaju uz priključenje kondenzatora u krug, a rezultati su prikazani na Slikama 17 i 18. Dodavanjem kondenzatora dio struje se zatvara kroz grane s kondenzatorima te su vrijednosti mrežnih struja nešto niže od vrijednosti struja pretvarača. Slika 17 Struja mreže, d komponenta 18

23 Slika 18 Struja mreže, q komponenta Budući da odstupanja mrežne struje iznose oko 0.13% za d komponentu i 0.38% za q komponentu model se smatra dovoljno preciznim za korištenje pri projektiranju regulatora Rasprežni regulatori Promotre li se jednadžbe (2.8), (2.9), (2.13) i (2.14), može se uočiti ovisnost izlaznih veličina o više varijabli. Međudjelovanje između više varijabli ulaza i izlaza naziva se spregom, a takav proces spregnutim procesom [16]. Navedena ovisnost za RL dio kruga prikazana je grafički na Slici 19. U promatranom primjeru izlazna veličina jedne grane utječe na izlaznu veličinu druge grane. 19

24 Slika 19 Rasprezanje izlaznih veličina, RL dio Raprezanjem se kompenzira utjecaj sprežnih članova upravljanog procesa na vladanje sustava. Postavljanjem jednadžbi koje vežu signale na pojedinim mjestima u krugu može se izvesti uvjet za rasprežne regulatore [16]: (2.16) (2.17) (2.18) (2.19) Utjecaj struje druge grane kompenzira se rasprežnim regulatorom na način da se izrazi u zagradama u jednadžbama (2.18) i (2.19) izjednače s nulom: (2.20) (2.21) 20

25 Slika 20 Rasprezanje vanjske petlje Slikom 20 grafički je prikazana sprega u d osi za C dio filtra. Prijenosna je funkcija, prema izrazu (2.13), jediničnog oblika. Uklanjanje sprege mrežne struje s mrežnim naponima provodi se već opisanim postupkom. Konačni izrazi za rasprežne regulatore za d granu glase: (2.22) (2.23) Identičnim postupkom, uzimajući u obzir mrežnu struju u q osi odnosno, pomoću jednadžbe (2.14) dolazi se do preostala dva rasprežna regulatora Regulator struje pretvarača Dodavanjem rasprežnih regulatora, upravljački krug možemo promatrati kao dva neovisna kruga (za d komponentu i za q komponentu). Budući da se regulatori izvode digitalno, radi preciznijeg opisivanja vladanja sustava u otvoreni regulacijski krug dodaje se prijenosna funkcija kašnjenja. Kašnjenje A/D i D/A dijela svako iznosi pola vremena diskretizacije pa je ukupno vrijeme kašnjenja zbog diskretizacije jednako Kašnjenje se izražava preko eksponencijalne funkcije (period uzorkovanja).. Funkcija se može 21

26 aproksimirati PT1 članom i dodati u upravljački krug [17]. Aproksimacija polazi od razvoja eksponencijalne funkcije u Taylorov red: (2.24) Ukoliko se eksponencijalna funkcija zapiše recipročno, a više potencije u jednadžbi (2.24) zanemare, dolazi se do sljedećeg izraza: (2.25) Jednadžba (2.25) supstitucijom poprima oblik prijenosne funkcije PT1 člana. Osim kašnjenja zbog diskretizacije dodaje se i kašnjenje uzrokovano sklapanjem pretvarača, koje je znatno manje od vremena diskretizacije. Period uzorkovanja najčešće se određuje prema preporučenom intervalu, gdje je vrijeme porasta koje se definira kao vrijeme potrebno da funkcija dođe od 10% do 90% vrijednosti u stacionarnom stanju [17]. Slika 21 Regulacijski krug struje pretvarača Na Slici 21 prikazan je krug upravljanja strujom pretvarača. Prijenosna funkcija je dobivena ranijim proračunom (2.10), a funkcija kašnjenja proizlazi iz već objašnjenog aproksimiranja eksponencijalnih funkcija Taylorovim redom. 22

27 (2.26) (2.27) Unutarnja se petlja kod kaskadnog upravljanja najčešće projektira da ima brz odziv te da vrijedi. Najčešće se koristi postupak tehničkog optimuma. Na ovaj se način postiže maksimalno ravna amplitudno-frekvencijska karakteristika zatvorenog regulacijskog kruga u širem području i amplitudno-frekvencijska karakteristika bez amplitudnog izdizanja. Ovaj je postupak primarno namijenjen za procese drugog ili trećeg reda s realnim polovima, bez astatizma. Kod takvih se procesa jedna odnosno dvije vremenske konstante najbliže imaginarnoj osi mogu proglasiti dominantnima jer najviše utječu na odziv sustava. Postupak se može poopćiti i na sustave višeg reda ako su nedominantne vremenske konstante male u odnosu na dominantne ( ). Tehnički optimum primijenjiv je kada vrijedi. Vremenske konstante regulatora odabiru se tako da se dominantne veličine kompenziraju (PI regulator za drugi red, PID regulator za treći red). Uz gore naveden koeficijent prigušenja, dobiva se karakteristika bez rezonantnog izdizanja i dobro prigušen odziv [13]. Funkcija procesa, ukoliko joj pridodamo kašnjenje, je drugog reda te je dovoljno koristiti PI regulator: (2.28) Prijenosna funkcija otvorenog kruga za proces drugog reda prikazana je sljedećim izrazom: (2.29) 23

28 (2.30) U prethodnom izrazu se pretpostavlja da je vremenska konstanta dominantna, a pjačanje predstavlja ukupno pojačanje otvorenog kruga. Prijenosna funkcija zatvorenog kruga prema referentnoj veličini glasi: (2.31) gdje je prirodna frekvencija neprigušenih oscilacija, a relativni koeficijent prigušenja. Izjednačavanjem koeficijenata slijedi : (2.32) (2.33) (2.34) Uvrštavanjem iznosa koeficijenta prigušenja u jednadžbu (2.34) dobiva se izraz za pojačanje regulatora: (2.35) Primjenom ovih općenitih formula na zadanu prijenosnu funkciju otvorenog kruga dobivaju se izrazi za parametre PI regulatora: (2.36) 24

29 Ovako dobiveni koeficijenti regulatora mogu se primijeniti i za q komponentu struje budući da su funkcije procesa i jednake. Prijenosna funkcija zatvorenog unutarnjeg kruga je drugog reda, sa konjugirano kompleksnim polovima i bez nula, a dobiva se pomoću sljedećeg izraza: (2.37) Slika 22 Odziv unutarnjeg kruga na step Odziv unutarnjeg kruga na skokovitu pobudu (prijelazna funkcija) prikazan je Slikom 22. Vremenska konstanta dobivenog kruga može se približno odrediti kao vrijeme potrebno da prijelazna funkcija dostigne 63% svoje stacionarne vrijednosti. Sa Slike 22 vidljivo je kako to vrijeme iznosi približno 1.24 ms uz vrijednosti parametara navedenih u dodatku D1. 25

30 2.4. Regulator mrežne struje Informacija o brzini unutarnje petlje kaskade vrlo je bitna kod projektiranja regulatora vanjskog kruga. Naime, kako bi se sustavom upravljalo u kaskadi, vanjska petlja mora biti barem dva puta sporija od unutarnje. Utjecaj sprege u upravljačkom krugu mrežne struje poništen je dodavanjem rasprežnih regulatora i obje se grane sada mogu smatrati neovisnima o mrežnom naponu. Rasprezanjem je dobiven jednostavni upravljački krug koji povezuje mrežnu struju i struju pretvarača preko funkcije procesa : (2.38) U jednadžbi (2.38) je, korištenjem aritmetike te izraza dobivenog jednadžbom (2.37), izražena povezanost unutarnjeg i vanjskog regulacijskog kruga. Kao što je već napomenuto u ranijem tekstu, funkcija procesa između dviju struja je jedinična te se gubi iz konačnog zapisa. Cijeli regulacijski krug upravljanja strujama prikazan je Slikom 23. Slika 23 Vanjska petlja Prijenosna funkcija otvorenog kruga vanjske petlje dobije se množenjem funkcije vanjskim regulatorom: s 26

31 (2.39) Jednadžba (2.39) primijenjiva je za obje komponente (d i q). Kod parametrizacije vanjskog regulatora kreće se od iscrtavanja krivulje mjesta korijena (KMK). KMK je krivulja koja predstavlja skup točaka kroz koje prolaze polovi zatvorenog kruga pri promjeni jednog od parametara karakteritične jednadžbe zatvorenog kruga od do. Najčešće se radi o promjeni pojačanja. Broj grana krivulje mjesta korijena jedak je stupnju karakteristične jednadžbe sustava (n). Krivulja započinje na polovima otvorenog kruga, te za porast pojačanja ( ) teži prema nulama otvorenog kruga (m). Ukoliko broj nula i polova nije jednak, n-m grana težiti će u beskonačnost [17]. Navedeno ponašanje vidljivo je na Slici 24 dodavanjem PI regulatora u regulacijski krug. Slika 24 KMK uz regulator PI tipa Konstante regulatora su odabrane na način da se postigne minimalno dvostruko sporiji krug, a da istovremeno konjugirano kompleksni polovi ostanu dobro prigušeni. Točne vrijednosti navedene su u dodatku D1. 27

32 Slika 25 Raspored polova i nula zatvorenog kruga upravljanja strujama Slika 26 Odziv vanjskog kruga na jediničnu pobudu 28

33 Na Slikama 25 i 26 prikazani su raspored nula i polova te odziv zatvorenog vanjskog kruga upravljanja strujama na jediničnu odskočnu pobudu. Vremenska konstanta ovoga kruga iznosi oko 2.77 ms što je 2.2 puta veće od unutarnje petlje te je nužan uvjet za kaskadno upravljanje ispunjen. Sa Slike 25 može se očitati red dobivene prijenosne funkcije. Radi se o funkciji trećeg reda s jednom nulom. Budući da regulacijski krug ima brz odziv i nema nadvišenja, poželjno je dobivenu prijenosnu funkciju aproksimirati PT1 članom. Aproksimacijom se bitno pojednostavnjuju daljnji proračuni. Za dobivanje aproksimirane vremenske konstante razmotreno je nekoliko postupaka. Prvi je uzimanje realnog pola dobivene funkcije. Drugi način je očitavanje vremena potrebnog da prijelazna karakteristika dosegne 63% stacionarne vrijednosti. Najtočnija vrijednost se dobiva analitički, odnosno korištenjem funkcija za minimiziranje pogreške. Posljednja dva načina u ovome slučaju daju gotovo istu vrijednost vremenske konstante. Usporedba karakteristika prikazana je na sljedećoj slici. Karakteristika aproksimirana realnim polom u gornjem dijelu bolje prati stvarnu funkciju, međutim njena vremenska konstanta je nešto manja od željene te bi se korištenjem ovako dobivene funkcije narušio dvostruki odnos između petlji. Za daljnje proračune korišten je PT1 član čiji je odziv prikazan plavom bojom. Slika 27 Nadomjesni modeli 29

34 2.5. Simulacija unutarnjeg regulacijskog kruga Regulator i u prethodnim poglavljima prikazani odzivi dobiveni su teoretski. Dobiveni regulator provjeren je simulacijom, korištenjem modela filtra i mrežnog izmjenjivača u PLECS-u te izradom upravljačke petlje u Simulink okruženju. Za potrebe simulacijske sheme bilo je potrebno obratiti pozornost na dodatne elemente. Sve trofazne veličine su u dq sustav pretvarane implementacijom matrica transformacije pomoću funkcijskog bloka u Simulinku. Osim dq tranformacije, bila je potrebna transformacija iz dq sustava u sustav jer se upravljački signali za IGBT-ove generiraju vektorskom modulacijom. Ovakvo rješenje koristilo se zbog jednostavnosti budući da ugrađene funkcije koriste i nulte komponente u oba sustava, a iste su u regulacijskom krugu nepotrebne. Navedene transformacije te detalji o vektorskoj modulaciji priloženi su u dodatku (D2 i D3). Za sve ove pretvorbe bitno je poznavati referentni kut koji je vezan uz kružnu frekvenciju mrežnog napona. Traženi kut se dobiva dodavanjem PLL-a (engl. Phase Locked Loop) u simulacijsku shemu. Rad PLL-a i rezultati simulacija bit će prikazani u ovome poglavlju PLL Slika 28 Shema PLL 30

35 PLL (engl. Phase Locked Loop) koristi se za detekciju faznog pomaka i mrežne frekvencije. Frekvencija je nužna kako bi se pratila stanja u mreži i udovoljilo mrežnim zahtjevima dok je kut nužan za Parkovu transformaciju. Koristi se standardni PI regulator jer ima karakteristiku niskoporopusnog filtra [14]. Vektor mrežnog napona rastavlja se na d i q komponentu te se pomoću PLL-a q komponenta napona postavlja na nulu. Time se postiže da d komponenta mrežnog napona bude jednaka njegovoj amplitudi odnosno da je d-os koordinatnog sustava poravnata s vektorom napona. PI regulator na izlazu daje upravljačku veličinu nužnu da se napon postavi na traženu vrijednost. Ona se zbraja s referentnom kružnom frekvencijom te integrira kako bi se dobio iznos traženog kuta ( ) [14]. Prijenosna funkcija otvorenog kruga glasi: (2.40) (2.41) Funkcija zatvorenog kruga u jednadžbi (2.41) može se usporediti sa standardnom funkcijom drugoga red definiranom jednadžbom (2.31) Slika 29 Prijelazna funkcija sustava drugog reda [21] 31

36 Za sustav drugog reda maksimalno postotno nadvišenje dano je izrazom [21]: (2.42) Vrijeme ustaljivanja odnosno, smirivanja ( ) je vrijeme kojim je određeno trajanje prijelaznog procesa nakon kojega prijelazna funkcija odstupa manje od zadanog iznosa (često je =1%, ). Za ovako definirano vrijeme ustaljivanja vrijedi izraz [21]: (2.43) Ukoliko se nadvišenje ograniči na 5% korištenjem jednadžbe (2.42), dobiva se prigušenje. Uzimanjem, za vrijeme ustaljivanja u pojasu 1%, perioda od 50 Hz ( ) iz jednadžbe (2.43) slijedi iznos frekvencije neprigušenih oscilacija [14]. Nadalje, korištenjem izraza (2.31) dobivaju se parametri PLL regulatora: (2.44) Rezultati simulacije upravljanja strujama Teoretski model implementiran je u Simulinku i PLECS-u. Regulacijski dio modela je diskretiziran dok se PLECS dio, u kojem se nalaze pretvarač i filtar, simulira kontinuirano. Usporedba teoretskog odziva na jediničnu odskočnu funkciju u kontinuiranoj domeni i odziva dobivenog simulacijom prikazana je na Slici 30 Prikazan je odziv na odskočnu funkciju referentne veličine d komponente struje s vrijednosti 0 A na vrijednost 1 A. Vidljivo je kako se u simulaciji pojavljuju neočekivane oscilacije. Jedina razlika između teoretskog i odziva dobivenog simulacijom jest domena u kojoj se simulacija obavlja. Pretpostavlja se da je uzrok ovakvom ponašanju odabrano vrijeme diskretizacije. Pretpostavka je provjerena, u prvom koraku, praktično, smanjivanjem vremena 32

37 diskretizacije te ponovljenom simulacijom. Rezultat simulacije s manjim vremenom uzorkovanja prikazan je na Slici 31 Slika 30 Usporedba teoretskog odziva i simulacije na jediničnu odskočnu referentne vrijednosti struje mreže u d osi, Slika 31 Usporedba teoretskog odziva i simulacije na jediničnu odskočnu referentne vrijednosti struje mreže u d osi, 33

38 Vrijeme diskretizacije je smanjeno četiri puta. Parametri regulatora unutarnjeg kruga ovise o vremenu diskretizacije te se razlikuju od prijašnjih dok je vanjski regulator ostao istoga oblika. Unutarnja petlja brža je od 1.2 ms (koliko je iznosila vremenska konstanta pri četiri puta većem vremenu diskretizacije) pa nije bilo nužno usporavati vanjsku petlju. Vidljivo je kako pri manjem vremenu diskretizacije ne dolazi do oscilacija promatrane veličine već odzivi u kontinuiranoj i diskretiziranoj domeni imaju gotovo istovjetno ponašanje. Za oba vremena diskretizacije iscrtani su Bodeovi dijagrami prikazani na slikama 32 i 33. Slika 32 Bodeov dijagram s početnim vremenom diskretizacije Prijenosnoj funkciji otvorenog kruga vanjske petlje u oba je slučaja dodana aproksimacija kašnjenja uzrokovanog diskretizacijom PT1 članom,, definirana jednadžbama (2.25) i (2.27). Na obje slike crvenom je karakteristikom prikazan otvoreni krug sustava u kontinuiranoj domeni, a plavom uz dodani efekt kašnjenja. Na samim slikama može se primijetiti kako kašnjenje smanjuje fazno osiguranje u oba slučaja, međutim kod početnog vremena diskretizacije taj je efekt izraženiji. Oscilacije koje se pojavljuju na Slici 30 34

39 posljedica su smanjenja faznog osiguranja za približno 10, dok je u drugom slučaju smanjenje faznog osiguranja čak upola manje te se ne očituje u odzivu simulacije. Slika 33 Bodeov dijagram sa smanjenim vremenom diskretizacije Manje vrijeme diskretizacije uzrokuje veću lomnu frekvenciju PT1 člana kojime se efekt diskretizacije aproksimira. Fazna karakteristika je padajuća s nagibom -45 /dek koji se pojavljuje već na frekvenciji za dekadu nižoj od lomne. Amplitudna karakteristika je konstantno na nuli do lomne frekvencije kada počinje padati nagibom -20 db/dek [17]. Iz navedenog teoretskog razmatranja može se zaključiti kako amplitudna karakteristika funkcije kašnjenja ne utječe na iznos presječne frekvencije pri kojoj se promatra fazno osiguranje, ali može utjecati na faznu karakteristiku. Veća lomna frekvencija ima za posljedicu više udaljenu faznu karakteristiku te manje utječe na iznos faznog osiguranja. Oscilacije se mogu riješiti osim promjenom vremena diskretizacije i promjenom parametara regulatora kojima bi se osigurala nešto niža presječna frekvencija. Promjena vremena diskretizacije je odbačena kao rješenje jer je poželjnija implementacija u početku odabranog vremena diskretizacije na eksperimentalni sustav. Promjena parametara regulatora nije izvršena u ovome koraku zbog činjenice da postoji i treća, posljednja 35

40 regulacijska petlja koja se mora dodati u upravljački krug. Krug upravljanja naponom istosmjernog međukruga mora kao vanjska petlja biti najsporiji te bilo kakva promjena komponenata unutar iste utječe i na izbor parametara vanjskog regulatora. U idućem poglavlju projektiran je i regulator istosmjernog napona te je zatim donesena odluka o ovome regulatoru. 36

41 3. Vanjski regulacijski krug Upravljanje istosmjernim međukrugom temelji se na upravljanju iznosom istosmjernog napona. Istosmjerni napon je češće podvrgnut prijelaznim stanjima zbog promjene injektirane snage od strane generatora. Povećanje injektirane snage rezultira podizanjem napona i obratno. Budući da je međukrug izveden na način da postoji spremnik energije (kondenzator) koji se puni ili prazni, upravljanje naponom postiže se injektiranjem veće ili manje snage u mrežu promjenom referentne struje u unutarnjoj strujnoj petlji [11]. Za potrebe projektiranja regulatora DC napona prvo je potrebno napraviti model istosmjernog međukruga DC model Slika 34 Model istosmjernog međukruga, mrežna strana Kako bi se dobio model istosmjernog međukruga, krug je prikazan u prostoru stanja. Varijable stanja su istosmjerni naponi na kondenzatorima te struja kroz induktivitete (vektor x) dok su ulazne veličine (vektor u) struja koja ulazi u pretvarač dolazi od strane vjetroagregata (poremećaj): i struja koja (3.1) (3.2) 37

42 (3.3) Kondenzatori na ulazu u pretvarač predstavljeni su jednim kondenzatorom iznosa ekvivalentnog serijskom spoju dvaju kondenzatora ( ). (3.4) Struju pretvarača preko istosmjerne snage povezujemo sa snagom injektiranom u mrežu: (3.5) Kao što je već napomenuto, mora vrijediti jednakost snaga. Koeficijent je koeficijent gubitaka na elementima između promatranih točaka i određen je simulacijom. Matricu (3.4) možemo zapisati implicitno, uz korištenje supstitucije (3.5): (3.6) (3.7) 38

43 (3.8) U jednadžbi (3.8) postoji nelinearnost te se, kako bi se mogle dobiti prijenosne funkcije DC kruga, mora provesti linearizacija u okolini odabrane radne točke. Linearizacija se provodi aproksimacijom nelinearne funkcije Taylorovim redom u nominalnoj radnoj točki [17]: (3.9) Ako su odstupanja od radne točke dovoljno mala onda, se nelinearna statička karakteristika y=f(x) može, zanemarenjem viših članova u raspisu Taylorovog reda, predstaviti pravcem s nagibom K što ujedno odgovara i nagibu tangente u radnoj točki [17][22]. Slika 35 Linearizacija postupkom tangente [22] (3.10) 39

44 (3.11) Ukoliko se linearizacija provodi za funkcije više varijabli, posve analogno prethodnom postupku dobiva se: uz (3.12) Za dinamičku karakteristiku vrijedi [22]: (3.13) U stacionarnom stanju vrijedi da su sve derivacije jednake 0 (3.14) (3.15) Kako bi se račun pojednostavio, jednadžba se može zapisati i u implicitnom obliku: (3.16) Uvrštavanjem radne točke u jednadžbu (3.16) dobiva se: (3.18) (3.17) 40

45 Sređivanjem jednadžbe (3.18) dobiva se izraz identičan jednadžbi (3.11): (3.19) Temeljem izvoda prikazanog jednadžbama (3.16) do (3.19) te korištenjem definicije Taylorovog reda (3.9) mogu se funkcije (Jednadžbe (3.6)-(3.8)) linearizirati. Linearizirani model ovisan je o radnoj točki i najčešće vjerno opisuje ponašanje sustava samo u okolini te točke. Radna točka za zadani model dobije se, uz poznate derivacija u funkcijama s nulom:, izjednačavanjem svih (3.20) (3.21) (3.22) Jednadžbama (3.20) (3.22) određena je radna točka modela. Linearizirane jednadžbe, u okolini radne točke ( ), glase: (3.23) 41

46 (3.24) (3.25) Prethodnim jednadžbama definiran je linearni model istosmjernog međukruga. Parcijalne derivacije iznose: (3.26) Nad lineariziranim jednadžbama se sada može provesti Laplaceova transformacija. Nakon transformacije, iz jednadžbe (3.25) se izražava napon na ulazu u pretvarač : (3.27) Jednadžba (3.27) se uvrštava u jednadžbu (3.23) te se izražava struja kroz induktivitet: 42

47 (3.28) Uvrsti li se prethodna jednadžba u izraz (3.24) dobiva se konačna prijenosna funkcija koja povezuje napon istosmjernog međukruga sa snagom koja se injektira u mrežu i poremećajem u obliku struje koja dolazi od strane vjetroagregata: (3.29) (3.30) 43

48 (3.31) Linearizirani model provjeren je simulacijom za radnu točku. Vrijednost struje je odabrana kao polovica vrijednosti nazivne struje dobivene dijeljenjem nazivne snage sinkronog generatora 5.2 kw s naponom međukruga 600 V (nazivni napon DC kruga pretvarača). Napon od 710 V dobiven je simulacijski, kao napon na kojemu se postigne ravnoteža snaga s obje strane pretvarača ukoliko se makne izvor konstantnog napona i korišten je samo za potrebe usporedbe nelinearnog i lineariziranog modela. Slike 36 i 37 prikazuju promjenu istosmjernog napona pri promjeni snage koja se šalje u mrežu od 100 W (3.64%) te pri promjeni od 500 W (18%). Uočava se kako početni nagib lineariziranog odziva prati nelinearni odziv u širokom rasponu. Pri većoj promjeni napon brže pada te se zbog toga odzivi razilaze u ranijem vremenskom trenutku, ali početni nagibi se podudaraju. 44

49 Slika 36 Promjena istosmjernog napona uz Slika 37 Promjena istosmjernog napona uz Ista provjera obavljena je za promjenu struje koja dolazi od strane vjetroagregata. Ispitane su promjene struje u iznosu od 0.1 A i 1 A u odnosu na radnu točku (2.5% te 25% promjena). Povećanjem struje, uz konstantan iznos injekcije snage u mrežu, pune se kondenzatori te istosmjerni napon raste. 45

50 Slika 38 Promjena istosmjernog napona uz Slika 39 Promjena istosmjernog napona uz Ponovno se može uočiti kako postotak promjene utječe na preciznost lineariziranog modela. Pri 25%-tnoj promjeni linearizirani model puno brže prestaje biti reprezentativan. Početni nagibi u sve 4 prethodne slike odgovaraju nelinearnom modelu te se zaključuje da se prijenosne funkcije dobivene linearizacijom mogu koristiti kao dovoljno točan model pri parametrizaciji regulatora. 46

51 3.2. Regulator istosmjernog napona Kod sinteze regulatora vanjske petlje početni problem predstavljaju dobivene funkcije procesa. Naime, od tri pola procesa jedan je nestabilan. Slika 40 Razmještaj polova i nula funkcije procesa prema poremećajnoj veličini Cilj pri parametrizaciji regulatora postaje stabilnost zatvorenog kruga. Korišten je Truxal- Guillemineov analitički postupak sinteze. Analitički postupci temelje se na modelskoj funkciji zatvorenog sustava. Na temelju željenog izgleda prijelazne funkcije odabire se nazivnik modelske funkcije. Obično se radi o jednom od standardnih oblika poput binomnog, Butterworthovog ili oblika zasnovanog na integralnim kriterijima [23]. Općenito modelska funkcija ima strukturu oblika: (3.32) Za oblik nazivnika odabran je binomni oblik jer se kod istog ne pojavljuje regulacijsko nadvišenje, ali je zato odziv nešto sporiji. Obje navedene karakteristike (nepostojanje 47

52 nadvišenja, sporiji odziv) smatrane su pozitivnima prilikom provedbe sinteze. Binomni oblik odgovara serijskom spoju PT1 članova s vremenskom konstantom. Porastom reda binoma prijelazna funkcija ima sporiji odziv. (3.33) Koeficijenti nazivnika modelske funkcije odabirom oblika postaju fiksni. Drugi korak je određivanje brojnika uz uvjet ostvarivosti prijenose funkcije. Prijenosna funkcija je ostvariva ukoliko je stupanj nazivnika veći od stupnja brojnika odnosno, ako je polni višak modelske funkcije veći ili jednak polnom višku funkcije procesa. Zbog postojanja nestabilnog pola u procesu, javlja se dodatan uvjet na brojnik željene funkcije zatvorenog kruga s obzirom na upravljačku veličinu. Bez dodatnog uvjeta došlo bi do kraćenja neminimalno-fazne nule regulatora s nestabilnim polom procesa što se ne preporuča jer se nestabilna dinamika može pojaviti u sustavu zbog parametarske nesigurnosti. Nestabilni pol se po krivulji mjesta korijena premješta u lijevu poluravninu [23]. Slika 41 Vanjski regulacijski krug Na Slici 41 prikazan je vanjski regulacijski krug. Regulator istosmjernog napona utječe na svom izlazu daje referentnu vrijednost d komponente mrežne struje jer se istom regulira injekcija radne snage u mrežu. Injekcija jalove snage regulira se q komponentom struje koja je u ovome radu postavljena na vrijednost nula. Prijenosne funkcije 48

53 dobivene su jednadžbama (3.29) (3.31), funkcija unutarnji krug odnosno, upravljanje strujama. Funkcija predstavlja zatvoreni povezuje mrežnu struju sa sa snagom koja se injektira u mrežu: (3.34) Funkcije procesa koja predstavlja njihov umnožak. mogu se radi lakšeg izvoda objediniti u jednu funkciju (3.35) Iz jednadžbe (3.35) proizlazi da funkcija ( nestabilnim polovima funkcije procesa [23]. mora sadržavati nule koje su jednake (3.36) Gore navedeni zahtjevi mogu se matematički predočiti pomoću dva uvjeta: (3.37) (3.38) je pomoćni polinom, a je nestabilni pol funkcije procesa. Objedinjena funkcija procesa ima brojnik nultog reda i nazivnik četvrtog reda pa je polni višak funkcije procesa jednak četiri. Ukoliko polni višak modelske funkcije izjednačimo sa polnim viškom procesa može se odrediti stupanj polinoma u brojniku. Budući da je razlika stupnja jednaka 4, proizlazi da je stupanj pomoćnog polinoma za jedan red manji od polinoma. Za brojnik je odabran polinom prvog reda iz čega proizlaze i ostali polinomi : 49

54 (3.39) Uvrštavanjem polinoma u drugi uvjet (Jednadžba (3.38)) te izjednačavanjem koeficijenata uz iste potencije kompleksne varijable izvode se koeficijenti : (3.40) Jednakost slobodnih koeficijenata brojnika i nazivnika proizlazi iz zahtjeva da se eliminira statička pogreška u odzivu na vodeću veličinu. Budući da su koeficijenti određeni binomnim oblikom, lako se dobivaju koeficijenti brojnika te slijedi konačni izraz modelske funkcije: (3.41) Uvrštavanjem dobivene modelske funkcije u izraz izveden jednadžbom (3.35) te sređivanjem izraza dolazi se do prijenosne funkcije regulatora istosmjernog međukruga: (3.42) U izrazu (3.42), je pojačanje, a su konjugirano kompleksni polovi prijenosne funkcije, je pojačanje funkcije dok je aproksimirana vremenska konstanta unutarnjeg upravljačkog kruga (Usporedba stvarne i aproksimirane 50

55 prijelazne funkcije prikazana je na Slici 27). Raspis drugog razlomka u jednadžbi (3.42), radi preglednosti, dan je sljedećim izrazom: (3.43) Konačni izraz za regulator napona istosmjernog međukruga glasi: (3.44) a koeficijenti i navedeni su u dodatku D Rezultati simulacije upravljanja istosmjernim naponom U modelskoj funkciji dobivenoj u prethodnom poglavlju preostaje još parametar koji utječe na brzinu odziva. Što je taj parametar veći to je prijelazna karakteristika modelske funkcije brža. Budući da se radi o kaskadnom upravljanju, ograničavajući faktor pri izboru frekvencije je brzina podređenog kruga. 51

56 Slika 42 Odziv na step modelske funkcije Na Slici 42 prikazana je prijelazna funkcija zatvorenog kruga upravljanja po naponu istosmjernog međukruga. Odabran je uz koji je vanjski krug približno 2.1 puta sporiji od kruga upravljanja po strujama. Budući da je glavni zahtjev upravljanja mrežnim pretvaračem održavanje istosmjernog napona konstantnim održavanjem jednakosti snaga sa strane generatora i sa strane mreže, u simulacijama je provjereno ponašanje u slučaju promjene proizvedene snage. Navedena promjena očituje se kao promjena injekcije struje u istosmjerni međukrug. Budući da se ne radi o skokovitoj promjeni, izgled pobude na koju je testiran regulacijski krug dan je na Slici 43. Promjena iznosi 25% stacionarne vrijednosti. Budući da se injekcija struje od strane vjetroagregata povećala, a u mrežu se injektira ravnotežna mrežna struja, u prvome trenutku dolazi do neravnoteže snaga odnosno, višak snage se sprema u kondenzatoru. Navedeno ponašanje vidljivo je na Slici 44. Posljedično povišenju napona regulator istosmjernog međukruga podiže referentnu veličinu mrežnoj struji. Prijelazna pojava traje otprilike ms kada se napon (zeleni) vrati na referentnu vrijednost, a mrežna struja ustali na vrijednosti koja omogućava ravnotežu snaga pri većoj proizvodnji vjetroagregata (Slika 45). Crveni napon sa Slike 44 je 52

57 napon na ulazu u pretvarač (Slika 34). Zeleni napon vraća se na referentnu vrijednost dok se crveni ustaljuje na nešto nižoj vrijednosti od one u stacionarnoj radnoj točki jer njegov iznos ovisi o iznosu struje koja teče međukrugom (Jednadžba (3.21)). Nakon što je prijelazna pojava završila, cijela struja teče kroz otpornike i uzrokuje nešto veći pad napona nego što je bio u radnoj točki. Slika 43 Istosmjerna struja 53

58 Slika 44 Istosmjerni napon Slika 45 Mrežna struja, d komponenta 54

59 Budući da se pri pojavi poremećaja s generatoske strane javlja nadvišenje u odzivu napona i mrežne struje, provjereni su odzivi u slučaju kada se pojavi velika promjena amplitude istosmjerne struje. Radi se o podizanju sa 0 A na 8 A (Slika 46). Slika 46 Istosmjerna struja, 0-8 A Pri ovako velikoj promjeni struje pojavi se nadvišenje od 50 V i otprilike 1 A kod d komponente mrežne struje što se može vidjeti na Slikama 47 i 48. Na Slici 49 prikazana je trofazna struja na kojoj se također može uočiti prijelazna pojava. Izobličenje trofazne struje posljedica je djelovanja pretvarača. 55

60 Slika 47 Napon istosmjernog međukruga uz izlaznu struju vjetroagregata, Slika 48 Mrežna struja, d komponenta uz izlaznu struju vjetroagregata 56

61 Slika 49 Trofazna mrežna struja uz izlaznu struju vjetroagregata Budući da se u poglavlju pojavio problem zbog diskretizacije, kao jedno od mogućih rješenja razmatralo se usporavanje strujne petlje. Ukoliko bi se unutarnja petlja usporila, morala bi se usporiti i vanjska što se postiže odabirom manjeg koeficijenta. U jednadžbi (3.41) može se primijetiti kako niti jedan koeficijent ne ovisi o parametrima unutarnjeg kruga. Odziv modelske funkcije ovisan je o iznosu nestabilnog pola i omegi. Zbog toga je efekt usporavanja naponskog upravljačkog kruga provjeren uz nepromijenjene koeficijente strujne petlje. Krug je usporen 1.3 puta (Slika 50). Usporedbom sa Slikom 42 vidljivo je nešto veće nadvišenje te duže vrijeme smirivanja. Ponovnim simuliranjem slučaja promjene istosmjerne struje u iznosu 8 A, uspoređujući Slike 48 i 51 može se primijetiti veće nadvišenje mrežne struje, koje u ovome slučaju iznosi čak 2.5 A. 57

62 Slika 50 Odziv modelske funkcije uz na jediničnu odskočnu funkciju Slika 51 Mrežna struja, d komponenta,, 58

63 Slika 52 Mrežna struja, d komponenta,, Budući da je regulator projektiran bez uzimanja u obzir kašnjenja zbog diskretizacije, simulacija je ponovljena uz i manje vrijeme diskretizacije te nije uočena značajna razlika u odzivu u usporedbi s odzivom na Slici 48. Teoretska provjera sastojala se od iscrtavanja fazne karakteristike prijenosne funkcije otvorenog kruga. Vidljiva je lomna frekvencija kašnjenja koja je dovoljno udaljena od presječne frekvencije otvorenog kruga (Slika 53 ). Konačni parametri upravljačkog kruga navedeni su u dodatku D1 u Tablicama 1-3 dok je shema cjelokupnog kaskadnog upravljanja u d i q osi prikazana na Slici 54. Slika 53 Bodeov dijagram otvorenog kruga regulacije istosmjernog napona 59

64 Slika 54 Cjelokupni upravljački krug 60

65 4. Implementacija na laboratorijski postav Upravljački algoritmi izvedeni u prethodnim poglavljima su za potrebe provođenja eksperimenata implementirani na dspace 1103 upravljačkoj ploči. dspace omogućuje izvođenje modela u realnom vremenu. Ploča omogućuje direktno povezivanje sa MATLAB/Simulink okruženjem pomoću ugrađenih blokova za pristup ulaznim i izlaznim kanalima. Slika 55 dspace 1103 računalo Nadzor i modifikacija upravljačkih i ostalih mjerenih signala obavlja se preko dspace ControlDesk korisničkog sučelja u vidu grafova, virtualnih tipkala i ostalih ugrađenih funkcija. 61

66 Slika 56 ControlDesk sučelje Laboratorijski postav sastoji se od asinkronog pogonskog motora kao emulatora turbine vjetroagregata, sinkronog generatora s permanentnim magnetima te dva AC/AC Danfoss FC302 pretvarača. Radi se o neizravnim pretvaračima koji se sastoje od diodnog ispravljača i IGBT izmjenjivača. Budući da se u radu ispituje rad generatora povezanog na mrežu preko dva IGBT mosta, diodni mostovi oba pretvarača su prespojeni tako da je konačno dobiven željeni dvosmjerni AC/DC/AC. Pretvaračima se upravlja preko IPC3 elektroničkih upravljačkih pločica koje omogućavaju slanje upravljačkih signala tranzistorima pretvarača. Na ovaj način oba su pretvarača u potpunosti upravljiva. Pretvarač prima PWM/SVM signale te upravljačke enable i reset sginale, a vraća TRIP signale. Pretvarač je s dspace-om povezan preko IPC2dSPACE prilagodne pločice koja pretvara električne signale u optičke, a zatim ih vodi na IPCR3 upravljačku karticu pretvarača. 62

67 Slika 57 IPC2dSPACE Na A/D pretvornike šalju se mjerenja napona i struja koja se dobivaju preko LEM senzora. U laboratoriju postoje tri senzora za AC napone i struje u LEM kutiji te jedan senzor napona DC međukruga. Shema spoja prikazana je Slikom 58. Slika 58 Shema spajanja postava 63

68 -Q3, -Q2, -K2 redom označavaju glavnu sklopku i sklopku za nužno isklapanje, motornu zaštitnu sklopku te generatorski sklopnik. Sklopnikom KM sa slike upravlja se daljinski. Kako bi se izbjeglo integriranje pogreške u regulatorima za vrijeme praznog hoda, svi upravljački signali premošteni su do trenutka sinkronizacije na mrežu. Prije pokretanja navedenog postava simulirana je sinkronizacija na mrežu. Naime prije spajanja na mrežu generator je u praznome hodu te je potrebno prilagoditi upravljanje mrežnim pretvaračem kako bi se do trenutka spajanja na mrežu na stezaljkama otvorenog sklopnika naponi podudarali. Upravljački algoritam je modificiran kako bi se do trenutka povezivanja s mrežom na pretvarač kao referentna vrijednost slao mrežni napon. Slika 59 Mrežni napon i napon pretvarača prije i nakon povezivanja s mrežom Na slici 59 prikazan je trenutak uklopa na mrežu (u 0.4 s). Crvenom bojom prikazan je mrežni napon, a plavom bojom napon pretvarača. Radi se o naponima na otvorenim kontaktima sklopnika KM sa slike 58. Prikazana je samo jedna faza radi preglednosti. Sa slike je moguće uočiti kako plavi napon do trenutka uklopa kasni za referentnim mrežnim naponom. U trenutku uklopa promatrane točke dolaze na isti potencijal te se naponi dalje podudaraju. Razlika napona u trenutku kada se uključi sklopnik KM uzrokuje struju izjednačenja velikih amplituda kroz kontakte što je prikazano na sljedećoj slici. 64

69 Slika 60 Mrežna struja u trenutku uklopa na mrežu, t=0.4 s Kako bi se izbjegla velika razlika napona u trenutku uklopa približno je određeno fazno kašnjenje plavog napona sa slike 59. Uvećani detalj prikazan je na Slici 61. Na temelju vremenskig kašnjena izračunat je fazni kut. Referentni napon koji se šalje na pretvarač do trenutka uklopa je zatim fazno pomaknut za izračunati kut. Rezultat ove prilagodbe prikazan je Slikom 62. Sada se naponi gotovo podudaraju. Postoji određeno odstupanje koje je posljedica aproksimacije kašnjenja te samog sklapanja pretvarača no pogleda li se slika 63 može se zaključiti kako je ovim postupkom postiže prihvatljivo ponašanje pri sinkronizaciji na mrežu. 65

70 Slika 61 Fazno kašnjenje napona pretvarača Slika 62 Mrežni napon i napon pretvarača bez kašnjenja 66

71 Slika 63 Mrežna struja u trenutku uklopa na mrežu uz napon pretvarača bez kašnjenja 67

72 5. Rezultati eksperimenata U prethodnom poglavlju je opisan postav i prikazana shema spajanja potrebnih elemenata. Također je prikazan teoretski način sinkronizacije na mrežu te rezultati simulacije istog. Pri samome pokretanju opisanog sustava pojavio se dodatni problem. Naime, sve su simulacije izvršene uz pretpostavku napona međukruga 600 V. Međutim sinkroni generator korišten u izvođenju pokusa može inicijalno napuniti međukrug do otprilike 300 V. Navedena činjenica predstavlja problem jer mrežni pretvarač sa tako niskim naponom na ulazu radi u području premodulacije i na izlazu daje amplitude napona puno niže od amplitude mrežnog napona. Naponi na kontaktima sklopnika KM snimljeni su osciloskopom i prikazani na slici 64. Slika 64 Usporedba napona pretvarača i mrežnog napona prije uklopa na mrežu Posljedice uklopa na mrežu u ovakvim uvjetima ispitane su simulacijski u Simulinku i PLECS-u. 68

73 Slika 65 Mrežna struja u trenutku uklopa na mrežu uz napon istosmjernog međukruga 300 V Rezultati simulacije prikazani Slikom 65 su očekivani budući da se sada pretvarač uklapa sa mnogo većom razlikom napona nego što je bio slučaj u simulacijama provedenim u poglavlju 0. Problem je riješen umetanjem otpornika veličine 40-ak Ω u sve tri faze na izlazu LC filtra. Ovim rješenjem je spojna shema nešto izmjenjena kako bi se moglo upravljati isključenjem dodanih otpornika nakon što se sustav poveže na mrežu. Otpornici su povezani u paralelu sa sklopnikom -KM kojim se daljinski upravlja. Sinkronizacija na mrežu se sada vrši ručno, pomoću sklopnika K2 koji je upravljan tipkalom dok se otpornici isključuju uklapanjem sklopnika -KM. Shema konačnog spoja eksperimentalnog postava prikazana je na Slici

74 Slika 66 Konačna shema spajanja postava Napon na stezaljkama 2,4,6 sklopnika -KM nakon uklapanja sklopnika K2 također je snimljen osciloskopom i prikazan na idućoj slici. Na Slici 68 prikazana je mrežna struja u trenutku uklapanja na mrežu. 70

75 Slika 67 Usporedba napona pretvarača i mrežnog napona nakon uklopa na mrežu preko otpornika Slika 68 Mrežna struja u trenutku uklopa na mrežu Idući problem predstavljala je odluka o trenutku pokretanja regulacije. Budući da je regulacija modelirana bez uzimanja u obzir ikakvih impedancija nakon LC filtra očekuje se neispravan rad regulatora ukoliko bi se isti pokrenuli prije isključivanja dodanih otpornika. 71

76 Simulacijom se istovremeno pokretanje regulacije i gašenje otpornika pokazalo kao najbolje rješenje međutim na stvarnome postavu ovo rješenje nije dovelo do očekivanih rezultata. Regulatori na izlazu daju ekstremne vrijednosti te zaštita isključuje pretvarače. Pretpostavka je da je ovakav rezultat posljedica kašnjenja signala koji uključuje relej u odnosu na uključivanje regulatora. Time bi otpornici ostali kratki dio vremena uključeni zajedno sa regulacijom što bi posljedično dovelo do pogrešnog rada regulatora. Zbog toga je upravljanje regulacijom i sklopnikom -KM odvojeno u korisničkom sučelju. Slike 69 i 70 prikazuju reakciju mrežne struje i napona međukruga prilikom sinkronizacije. Uklapanjem na mrežu napon međukruga raste. Mrežna struja u trenutku uklopa prikazana je na Slici 68. U trenutku isključivanja otpornika mrežna struja ima kratkotrajnu prijelaznu pojavu koja je popraćena porastom napona međukruga. Smirivanjem struje smiruje se i istosmjerni napon na novoj stacionarnoj vrijednosti. Slika 69 Mrežna struja u trenutku isključivanja otpornika 72

77 Slika 70 Promjene napona istosmjernog međukruga prilikom sinkronizacije na mrežu i gašenja pomoćnih otpornika Prije uključivanja regulacije referentni napon za vanjski regulator postavljen je na stacionarnu vrijednost napona očitanu s grafa kako bi se izbjegao skok u referentnim vrijednostima struja. Uklapanjem regulacije dobiveni su odzivi s periodičnim oscilacijama. Pretpostavlja se kako je uzrok razlika između modela i stvarnog sustava naime, prilikom modeliranja sustava omski otpori LC filtra su procijenjeni. Također, impedancija mreže nije uzeta u proračun. Uz sve navedeno ne može se zanemariti šum mjerenog signala i nešto slabiji rad PLL-a nego što je to u idealnim uvjetima. PLL je u simulacijama radio na 100 puta manjem vremenu uzorkovanja od ostatka kruga. Zbog toga je prilikom implementacije PLL-a na dspace pojačanje PLL regulatora smanjeno u odnosu na ono korišteno u PLECS-u. Namještanje pojačanja je provedeno uz pretvarač odspojen od mreže (-K2 isključen, -Q2 uključen) promatranjem q komponente izmjerenog mrežnog napona. Rad PLL-a u stvarnom postavu prikazan je na sljedećim slikama. Daljnjim intervencijama na regulator nema promjene u odzivu. 73

78 Slika 71 Kružna frekvencija dobivena PLL-om Slika 72 d komponenta mrežnog napona 74

79 Slika 73 q komponenta mrežnog napona Vidljivo je kako PLL ne može uspostaviti q komponentu u nulu zbog prevelikih oscilacija u mjerenom signalu. Izračunata frekvencija, a time i kut koji se koristi u transfomacijama su zašumljeni te je preciznost rada cijelog sustava smanjena. Budući da je vanjska petlja, prema kaskadnom upravljanju, zadužena za stabilnost, njena je modelska funkcija usporena kako bi bila deset puta sporija od kruga upravljanja strujama. Parametri koji su promijenjeni u odnosu na one korištene u simulacijama navedeni su u Tablici 4 dodatka D1. Uz ovakve parametre ponovno je pretvarač spojen na mrežu te je nakon isklapanja pomoćnih otpornika provedeno uključivanje regulacije, a rezultati su prikazani na Slikama 74 i 75. Kao posljedica regulacije napon međukruga nema naglih skokova već oscilira oko referentne vrijednosti označene crvenom bojom. 75

80 Slika 74 Mrežna struja u trenutku ukjlučivanja regulacije Slika 75 Napon istosmjernog međukruga u trenutku uključivanja regulacije 76

81 Na Slikama 76 i 77 prikazan je referentni napon koji se šalje na SVM. U trenutku pokretanja regulacije vidi se prijelazna pojava i nešto izobličeniji napon u odnosu na vrijednosti prije uključenja regulacije (kada se šalju konstantne vrijednosti d i q komponenti). Detaljniji prikaz pokazuje da su unatoč izobličenjima na izlazu iz regulacijskog kruga sinusoidalni naponi. Slika 76 Referentni napon pretvarača 77

82 Slika 77 Referentni napon pretvarača, detaljniji prikaz Na Slikama prikazani su odzivi u slučaju kada je generator u praznom hodu (struja poremećaja jednaka je nuli), a mijenja se referentni napon istosmjernog međukruga. Vidljivo je kako, iako ima primjetne oscilacije, mjereni napon međukruga prati svaku promjenu referentne vrijednosti. Trenuci promjene referentne veličine vidljivi su u prikazu referentne vrijednosti d komponente mrežne struje (Slika 79). Budući da je generatorski dio u praznom hodu smanjenje napona se postiže većom injekcijom struje u mrežu. 78

83 Slika 78 Promjene napona istosmjernog međukruga Slika 79 Promjene d komponente mrežne struje Povećanje reference mrežne struje, koje se očituje kao nagli 'peak' u negativnome smjeru, pojavljuje se u istim vremenskim trenutcima kao i smanjivanje referentne vrijednosti napona. Posljednji skok struje u suprotnom smjeru odgovara povećanju reference napona. Navedeni trenutak prikazan je i na slici referentnog napona pretvarača. Može se uočiti naglo smanjenje amplitude izlaznog napona u trenutku promjene reference. Referentna vrijednost q komponente mrežne struje je postavljena na nulu, a mjerena veličina oscilira oko navedene reference. 79

84 Slika 80 Promjene referentnog napona pretvarača Slika 81 Promjene q komponente mrežne struje Na Slikama prikazani su odzivi na veliku skokovitu promjenu referentne vrijednosti napona istosmjernog međukruga. Vidljivo je kako su oscilacije prigušene te se može zaključiti kako kaskadna regulacija radi onako kako je projektirano s obzirom na referentnu vrijednost. 80

85 Slika 82 Odziv DC napona na veliku skokovitu promjenu referentne vrijednosti DC napona Slika 83 Odziv d komponente mrežne struje uz veliku skokovitu promjenu referenctne vrijednosti DC napona 81

86 Slika 84 Odziv q komponente mrežne struje uz veliku skokovitu promjenu referenctne vrijednosti DC napona Nakon ispitivanja praćenja promjene vodeće veličine, dakle napona istosmjernog međukruga, provedeni su i eksperimenti regulacije poremećaja. Poremećajem se smatra promjena vrijednosti struje s generatorske strane ( ). Uključivanjem generatorskog pretvarača te upravljanjem istim ispitano je ponašanje na malene i na velike promjene struje od strane vjetroagregata. Na Slici 85 je prikazano ponašanje struje poremećaja. 82

87 Slika 85 Male promjene struje poremećaja Slika 86 Promjene napona istosmjernog međukruga uz malene promjene struje poremećaja Usporedbom slika 85 i 86 uočava se rad regulacije. U vremenskim trenucima obilježenim crvenim krugovima na Slici 86 dolazi do propada napona koji je posljedica smanjenja struje s generatorske strane. Posljednja dva kruga obilježavaju skokove napona koji su posljedica povećanja injekcije struje koja dolazi od strane vjetroagregata. Jedan vremenski trenutak nije uočljiv u odzivu napona zbog prekratkog trajanja promjene struje i velike oscilatornosti mjerenog napona. Zbog navedene oscilatornosti mjerenih veličina nisu prikazane pojedinačne regulirane veličine kaskadnog kruga. Za kraj ove analize 83

88 priložena je još i slika trofazne mrežne struje koja bi trebala imati period smanjenja amplitude kao posljedica djelovanja regulacije kojom se u uvjetima smanjene proizvodnje napon istosmjernog međukruga održava konstantnim. Također kod povećane proizvodnje generatora, skok istosmjernog napona se smanjuje povećanom injekcijom struje odnosno snage u mrežu (Slika 87). Slika 87 Promjene amplitude mrežne struje uz malene promjene struje poremećaja Kako bi se jasnije vidjelo upravljanje svim veličinama regulacijskog kruga, eksperiment je ponovljen uz veće promjene struje poremećaja. Na Slici 88 prikazano je povećanje amplitude struje poremećaja od otprilike 4 A. Povećanje struje s generatorske strane očekivano je popraćeno podizanjem napona istosmjernog međukruga (Slika 89). Za vrijeme trajanja prijelazne pojave, napon se povećao za otprilike 40 V. Usporedbe radi, u PLECS-u je obavljena simulacija uz slične uvjete. Pobudna struja je sličnog oblika kao i stvarna (step propušten kroz PT1 član vremenske konstante 0.2 s) te je dobiven odziv prikazan Slikom 90. Odzivi su vrlo slični eksperimentalno dobivenima. Slična je usporeba 84

89 provedena i za d komponentu mrežne struje (Slike 91 i 92). Može se zaključiti kako se PLECS-om mogu dobiti dovoljno realni rezultati. Slika 88 Velika promjena struje poremećaja Slika 89 Promjena napona istosmjernog međukruga uz veliku promjenu struje poremećaja 85

90 Slika 90 Promjena napona istosmjernog međukruga uz veliku promjenu struje poremećaja u PLECS-u Slika 91 Promjena d komponente mrežne struje uz veliku promjenu struje poremećaja 86

91 Slika 92 Promjena d komponente mrežne struje uz veliku promjenu struje poremećaja u PLECS-u Referentna vrijednost q komponente nije mijenjana u nijednom trenutku provođenja eksperimenata što znači da se vršila injekcija samo radne snage u mrežu. Referentne vrijednosti struje pretvarača su vrlo oscilatorne kako posljedica zašumljenog mjerenog signala mrežne struje. Kod malih promjena amplituda se zbog toga ne može primijetiti slijeđenje reference. U slučaju velike promjene amplitude struje poremećaja na Slikama 94 i 95 može se uočiti slijeđenje reference i struje pretvarača u obje osi. 87

92 Slika 93 Promjena q komponente mrežne struje uz veliku promjenu struje poremećaja Slika 94 Promjena d komponente struje pretvarača uz veliku promjenu struje poremećaja 88

93 Slika 95 Promjena q komponente struje pretvarača uz veliku promjenu struje poremećaja Unatoč dobrom radu regulacijskog kruga svi odzivi nisu prihvatljivi. Naime, trofazna struja koja se šalje u mrežu vrlo je izobličena (Slika 97). Pretpostavlja se da je dio uzroka preslab LC filtar. Također je moguće kako je prikazani signal izobličen zbog uzorkovanja te da stvarna struja izgleda sinusoidalnije no ovu tezu je nemoguće provjeriti bez dodatnih mjernih uređaja. Slika 96 Promjena amplitude mrežne struje uz veliku promjenu struje poremećaja 89

94 Slika 97 Detaljniji prikaz trofazne mrežne struje Dosadašnji eksperimenti su provođeni uz konstantni vjetar. Eksperiment je dalje proveden i za turbulentni vjetar dobiven dodavanjem šuma na konstantnu srednju vrijednost. Promjenom srednje vrijednosti turbulentnog vijetra mijenjaju se redom brzina vrtnje generatora, generirana struja i napon istosmjernog međukruga. Slika 98 Brzina vrtnje generatora uz turbulentni vjetar 90

95 Slika 99 Promjena struje uz turbulentni vjetar Turbulencije se mogu primijetiti na vrijednostima amplituda struje proizvedene od strane generatora i mrežne struje dok se regulacija napona vrši toliko brzo uz premalene skokove da bi se to zamijetilo u odzivu (Slika 100). Promotri li se trenutak kada brzina vjetra naglo pada (Slika 98) može se uočiti i djelovanje regulacije kod strmih promjena. Napon međukruga ima nagli propad i skok te se zatim vraća na referentnu vrijednost. Amplituda mrežne struje se naglo poveća te se zatim ustali na dovoljno niskoj vrijednosti kojom se osigurava ravnoteža proizvedene i injektirane snage u novim uvjetima (Slika 101). Slika 100 Promjene napona međukruga uz turbulentni vjetar 91

96 Slika 101 Promjene mrežne struje uz turbulentni vjetar Kao posljednji eksperiment kombinirane su u istom mjerenju promjene brzine vjetra i reference napona međukruga. Rezultati su prikazani na Slikama Nagla smanjenja brzine vjetra očituju se u usporavanju generatora i smanjenju ispravljene struje generatora koja teče u međukrug. Napon međukruga počinje padati jer se u prvome trenutku prevelika snaga injektira u mrežu u odnosu na proizvodnju. Regulacija smanjuje napon DC kruga dok se ne postigne referentna vrijednost smanjivanjem amplitude mrežne struje, a posljedično tome i snage koja se šalje u mrežu. Regulacija djeluje obratno pri povećanju brzine vjetra. Opisano ponašanje vidljivo je na odzivima do otprilike s, a zatim se umjesto brzine vjetra mijenja referenca napona istosmjernog međukruga. Podizanjem referentnog napona (Slika 104) potrebno je smanjiti injekciju snage u mrežu što je popraćeno smanjenjem amplitude mrežne struje. Smanjenje napona međukruga postiže se povećanom injekcijom struje u mrežu (peak prema apsolutno gledano većoj amplitudi na Slici 105) 92

97 Slika 102 Promjena brzine vrtnje generatora Slika 103 Promjena struje poremećaja 93