| |||||||||||
| |||||||||||
HABER ARAGOOGLE TRANSLATEELEKTRİK-ENERJİ HABEROTOMASYON HABERÖNEMLİ LİNKLEREN ÇOK OKUNANLAR
|
Yenilenebilir Enerji Uygulamaları için Yeni Tasarımlar
Yenilenebilir Enerji Uygulamaları için Yeni Tasarımlar Yüksek Güçlü Yenilenebilir Enerji Uygulamaları için Yeni Tasarım Önerileri Yenilenebilir enerji uygulamaları, verimlilik ve güvenilirlik gereksinimleri bakımından güç elektroniği için zorlu bir mücadeledir. 1700 V gerilimli silicon, günümüzde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Birkaç MW’lik giriş/çıkış güçleri için düzinelerce yonga içeren modüllerin onlarcasının paralel bağlanmış olması gerekmektedir. En iyi çözüm, invertör güç bloklarını paralellemektir. Ama, bunun gibi çözümlerde kaynaktan OG (orta gerilim) trafosuna olan bağlantıda ek alçak gerilim iletimi gerekir. Alternatif bir çözüm ise; OG kaynak ve iletimi düşük gerilimli silikonlara dayalı OG şebeke tarafı invertörlerinin (güç bloklarının) seri bağlanmasıdır. Ayrıca interleaved PWM, sinüzoidal filtre boyutunu ve anahtarlama frekansını; yani, toplam kayıpları azaltır. 1. En son teknoloji Mevcut yeni yüksek güçlü yenilenebilir enerji kaynakları uygulamaları, rüzgar türbinleri (RT) ve fotovoltaik (FV) uygulamalardır. Yeni RT’lerin ortalama gücü 2 MW’nin üzerindedir ve en fazla 5 MW olmaktadır. Son birkaç yıldır FV uygulamalarında eğilim 0,5 MV’lik birimler kullanılması olmakla beraber birim başına 1 MW üzerine doğru artan bir eğilim vardır. En yaygın FV sistemleri 10 MW’lıktır. Bunların 60 MW‘a kadar olanları da bulunmaktadır. Her 2 yapı, şebekeye invertörler ile bağlı ve sinüsoidal filtreler aracılığıyla şebekeyi düşük harmonikli (THD) sinüzoidal akımlar ile beslemektedir. RT’lerde, şebeke tarafı dönüştürücüsünün optimal çalışması için gerekli olan sabit DC gerilim, değişken jeneratör gerilimini doğrultan yükseltici özellikli jeneratör tarafı dönüştürücüler ile sağlanır. Benzer şekilde FV panelleri de güneş yoğunluğuna, çevre sıcaklığına, yük akımına ve gücüne orantılı gerilim ile dönüştürücüleri besler. Sonuçta 1:2’den daha yüksek oranlı değişken giriş gerilim vardır. Genellikle yüksek güçlü FV şebeke tarafı invertörlerde ek ön dönüştürücüler kullanılmamaktadır.
Güç dönüştürmede birinci öncelik verimdir. Bugün, güç elektroniğinde RT uygulamaları için 1200 V ve 1700 V; FV uygulamaları için de 1200 V endüstriyel silikon tabanlı bileşenler kullanır. Sistem verimliliği, doğru silikon ve yeni daha iyi yarı iletken teknolojileri kullanılarak düşük dönüştürücü kayıpları elde edilebilir. Çift beslemeli endüksiyon jeneratöre dayalı (DFIG-Doubly Fed Induction Generator), RT tasarımları demode olacaktır. Aslında DFIG teknolojileri kullanan RT, şirketleri artık yeni tasarımlarını geleneksel 4 kadran sürücü (4 Q-fullsize) prensibine dayandırmaktadır [1]. Bügünkü RT dönüştürücü verimliliği, yüzde 96-97 aralığı içindedir. Bu, tam boyutlu (full size) yapı içerisinde; jeneratörün dv /dt filtre çıkışından ölçülen, jeneratör tarafı dönüştürücüsü, DC bara, şebeke tarafı invertör ve çıkış sinüsoidal filtresi olan bir kasa içerisine yerleştirilmiş 2 seri güç elektroniği dönüştürücüsü bulunur.Güvenilirlik de çok önemli bir faktördür. Bir rüzgar türbininin çalışması ve dönmesi durmamalıdır. Dolayısı ile birinci sınıf bileşenlerden oluşması mutlak şarttır. Daha da önemlisi, bir bileşen başarısız olsa bile çalışmasına devam edebilecek bir türbin tasarımına sahip olması gerekir. Birkaç MVA civarındaki büyük invertör güçlerinde içlerinde önemli miktarda paralel bağlı yarı iletken yongalar olan modüllere ihtiyaç vardır. 1.1 IGBT modüllerinin paralel çalışması için çözümler 1. Tüm güç için birçok paralellenmiş IGBT modülleri ve hepsini süren bir sürücü içeren bir invertör fazı kullanılır. Her IGBT modülünün kendi kapı dirençleri ve akım yolunun dengeli olması için simetrik DC ve AC bağlantısı vardır. FV uygulamalarında kullanılan Semikube IGBT güç Stack’ı başarılı bir örnektir [2]. 2. Herbiri kendi sürücüsü olan birkaç invertör-faz birimlerini paralellemek. Farklı sürücü gecikme zamanları nedeniyle küçük AC çıkış şok bobinleri gereklidir. (SKiiP-IPM güç yığın-stack-larının paralellenmesi) 3. DC bara ve sürücüsü ile sürülen paralel bağlı modüller içeren üç fazlı birimlerin paralelenmesi. Daha yüksek güçler için birkaç üç fazlı invertör paralel olarak bağlanır. Farklı sürücü gecikme zamanları nedeniyle AC çıkış şok bobinlerine hala ihtiyaç vardır. Bir PWM sinyali ve bir DC bara kullanılmaktadır [3]. 4. Bir PWM kontrolör ve ek olarak paralel invertörlerin yük akım paylaşımı kontrolü ile üç fazlı invertörlerin paralel çalışması (Gelişmiş PWM kontrolü). 5. Paralel bağlanmış modüllerin kısa gecikme süreli master slave sürücüleri ile sürülmesi. Herhangi bir ek endüktanslara gerek yoktur ve bir yarı iletken yonganın zarar görmesi durumunda sadece bir modül zarar görür. 6. Giriş veya çıkış tarafı galvanik izoleli paralel invertör çalışması. Farklı PWM ve ayrı kontrollü standart, bağımsız birimlerinin paralel çalışması (Şekil 1) [4].
Bazı RT tasarımlarında jeneratör, sürücüler ve OG trafo, motor yanına (nacelle) yerleştirilir. Bu durumlarda motor kısmının toplam ağırlığı çok yüksek olur. Ancak AG jeneratör ve OG şebeke arasındaki iletim kayıplarını en aza indirmenin tek yolu budur. Diğer tasarımlarda ise RT sürücü kulenin tabanında yer almaktadır. Yaklaşık 100 m’lik bu mesafe üzerinden güç iletimi, yüksek güç kayıpları ve maliyetli olan düşük gerilim üzerinden yapılır. 1700 V standart endüstriyel silikon tabanlı IGBT modüllerinin 1 MW üç fazlı invertör için paralel olarak kullanılması gerekmektedir. Bugün tek bir üç fazlı invertörün maksimum kullanılabilir gücü 1,5 MW’dır [5]. Bu nedenle, bağımsız sürücülerin parallellenmesini kolaylaştırmak için birkaç jeneratör sargılı çözümler kullanılır. Aynı zamanda bu tasarımın güvenilirliği, aynı sayıda modüller paralel bağlanmış olan tek bir yüksek güç dönüştürücü tasarımından daha yüksektir. 1.2 Rüzgar türbini (RT) jeneratörleri Asgari hacim, dalgalanma torku ve kısa devre torku gibi üç fazlı sargılı jeneratör gereksinimleri, özellikle düşük hızlı, direkt sürücülü jeneratörler için 2’li, 3l’ü veya 6’lı üç faz sargılı gibi jeneratör çözümlerinden oluşmaktadır. Standart endüstriyel üç fazlı invertörler ve denetleyiciler nedeniyle 5, 7 veya daha fazla fazlı çok fazlı jeneratör sistemleri kullanılmaz. Birkaç MW’lık jeneratör boyutları için geleneksel yöntem OG çıkıştır. OG giriş ve çıkışları, OG-PE bileşenlerinin kullanılmasını gerektirir. Şebeke tarafında kullanılan birkaç kHz anahtarlama frekanslı en son teknoloji OG dönüştürücüler, kW başına çok daha düşük verimli ve çok daha pahalıdır. 1.3 Reaktif güç kontrolü Yenilenebilir enerji kaynakları için aktif güç kontrolü, reaktif güç kontrolü, düşük gerilim geçiş (ride-through) yeteneği, (daha az bahsedilen) simetrik olmayan şebeke gerilimleri altında çalışma gibi ek gereksinimlere ihtiyaç vardır. [7] Başlangıçta RT’lerde ve son zamanlarda FV uygulamalarında kullanılan yenilenebilir enerji kaynakları için reaktif güç kontrolü için daha yüksek DC bara gerilim girişi istenmektedir. 2. Yeni tasarım önerileri 2.1 Yüksek güçlü rüzgar türbini (RT) için invertör hücrelerinin seri bağlanması Ayrı jeneratör sargıları yapısına dayalı RT dönüştürücü tasarımları, pekçok avantajın yanı sıra büyük bir dezavantaja sahiptir. Jeneratör ve konvertör arasında 3’lü birçok kablo gerekmektedir. Dolayısıyla tüm bu dönüştürücülerin jeneratör yakınlarında, motor yanında (nacelle) olması daha uygundur. Düşük gerilimli yüksek güçler için jeneratör akımları 1500 A’den çok yüksektir. OG senkron jeneratör ve sadece bir diyot doğrultucunun kullanılması, çekici bir çözüm olmaktadır. Ancak, bu durumda DC gerilim değişimleri büyüktür (1:2) ve OG silikon malzemeler gerektirir. RT’nin minimal dönme hızında ve minimum DC gerilimde bile güç üretmesi beklenir. Örneğin 1000 VDC için, OG trafo çıkış gerilimi oldukça düşüktür (yani 660 V). Aynı zamanda DC gerilim, 2 kV’dan daha fazla değerede ulaşabilir. OG şebeke tarafı invertör için mantıklı bir çözüm, değişken doğrultulmuş jeneratör gerilimini bölebilen seri bağlı bir dizi invertör kullanmaktır. Bağımsız DC bara gerilimi olan şebeke tarafı invertör hücreleri, OG trafosunun primer sargılarına bağlıdır. Düşük jeneratör gerilimlerinde bazı hücreler by-pass edilmelidir. Böylece hücrelerin eşdeğer toplam gerilimi düşük ve jeneratör gerilimine karşılık gelecek şekilde olmalıdır. RT tork ihtiyacı, jeneratör akım ihtiyacı ile aynıdır. Bu nedenle DC akımın asıl değeri, gerçek değer ile karşılaştırılır. Eğer tork talebi, mevcut DC akım değerinden daha yüksek ise by-pass toplamı daha büyük olmalı yani daha fazla hücre by-pass edilmeli ve eşdeğer EMF düşük olmalıdır. Böylece DC akımı artar. Kullanılan her bir şebeke tarafı invertör, sabit giriş DC gerilimini aynı seviyede tutar ve kontrol eder. Örneğin 1000 V trafonun primer sargısına bağlı. Eğer DC gerilimi belirlenen değerden daha yüksek ise deşarj akımları büyük olacaktır. Şebeke tarafı invertörler, tek veya üç fazlı üniteler olabilir. Tek fazlı ünitelerde bir trafo sargısı vardır. Doğrultulmuş OG jeneratör (örneğin bir düzine kV) bir dizi invertör hücrelerini besler. Bazı hücrelerde DC link kontrolüne izin verilmesi için bazı hücrelerde giriş by-pass anahtarları vardır. Hücreler, her zaman seri bağlıdır ve gerilimlerin toplamı asgari jeneratör gerilimine karşılık gelir.
Aşağıda açıklanan orta gerilim senkron jeneratör, motorun yanında bir diyot doğrultucu ve altta bulunan OG şebeke invertörüne verimli bir OG-DC güç iletimi sağlayan ve yüksek gerilimli şebeke trafosu içeren megavat sınıfı rüzgar türbinleri için bir güç dönüşüm düzenidir (şekil.3) [6]. Değişken çıkışlı jeneratör gerilimini birçok hücre paylaşarak kullanılmaktadır. Her hücrede üç fazlı veya tek fazlı, ayrı trafo sargıları ve DC bara kapasitörleri olan şebeke tarafı invertörler bulunmaktadır. Giriş gücü (OG jeneratörden gelen akım), DC barayı şarj eder ve dönüştürücü onu boşaltır. Bu nedenle DC link gerilimi sabit kalır. Çünkü, şebekeye bağlı invertör şebekeye deşarj olan DC akımı kontrol eder. Hücre girişinde bir yarım köprü konfigürasyon bulunur, Örneğin klasik yükseltici (booster), ancak bu sadece bir by-pass anahtarı olarak çalışır. Eğer jeneratör gerilimi seri bağlı hücrelerin toplamından daha düşük ise jeneratörden gelen akım azalır. Seri hücre sayısını azaltmak ve jeneratör akımı artırmak için daha fazla hücre bypass edilir. Özellikler • 10 kVDC aralığında 1000 VDC ile Vdcmax arasında değişen jeneratör gerilimi, • 3 x 690 VAC hücre beslemesi için hücre başına DC gerilim 1100 V (1700 V silikon) • Hücre sayısı = Vdcmax / Vcell • Hücre gücü: Pgenmax / hücre sayısı • Optimum hücre güç dağılımı • Farklı adetlerde bağlı veya bypass edilmiş hücreler ile OG DC akım kontrolü • Hücre iletim zamanı, yüzde 0’dan yüzde 100 arasında değişir. • Devredışı hücreler tamamen reaktif güç üretebilir. • Tam ve düşük güçte yüksek verim • Her bir hücrede interleaved PWM kullanarak toplam harmonik distorsiyon (TDH) azaltma • Şebeke tarafı akım dalgalanma frekansı, hücre anahtarlama frekansının hücrelerinin sayısının çarpımına eşittir. • Düşük gerilimli ride-through kabiliyeti • 50/60 Hz uygulamalarda farklılık yok • Yeni rüzgar parkı konsepti: RT jeneratörler ve doğrultucular, rüzgar parkının ortasına yerleştirilen güç dönüştürücülerine bağlı. Bütün hücreler bir konteyner içerisinde, rüzgar parkının en çok tercih edilen yerinde, örneğin alt istasyon (sub-station) yakınına yerleştirilebilir. • Hücreler, kayıplı OG malzemelerin kullanımından kaçınılarak kanıtlanmış ve güvenilir 1700 V silikonlardan oluşur ve yüksek verimli enerji dönüşümünü sağlar. • Mevcut OG cihazların sınırlarından kaynaklanan jeneratör OG sargı geriliminde bir sınırlama yoktur.
2.2 Fotovoltaik (FV) uygulamalar FV uygulamalarında genellikle tek bir hat tarafı şebekeye bağlı invertör (GTI-Grid Tie Inverter) vardır. GTI AC çıkış gerilimi, minimum DC giriş gerilimine orantılıdır. Başlangıç FV gerilimi minimum güneş ışığına orantılıdır. Eğer seçilen AC çıkış gerilimi düşükse nominal güç akımları daha yüksek olacak; aynı zamanda, başlangıç gerilimi düşük olacaktır. Bu nedenle AC çıkış gerilimi için bazı ürünler 3 x 370 V kullanırken diğerleri 3 x 328 V kullanmaktadır. AC çıkış gerilimi yüksek olan tasarımlarda eğer FV gerilimi/çıkış AC gerilimi oranı düşükse, kullanılabilir minimum enerji ihmal edilir. FV uygulamasında GTI, nominal çıkış geriliminin sadece yaklaşık 1/2’sinde çalışır. 1200 V silikon 480 VAC’a kadar girişi/çıkış voltajı için geliştirilmiştir ve bugün FV uygulamalarında sadece 270 V ... 330 V kullanılmaktadır. Bu tür bir operasyonun verimliliği düşüktür. Çünkü (m) modülasyon faktörü, VAC/VDC oranına bağlıdır. 400 VAC/650 VDC veya 480 VAC/800 VDC için verimlilik, FV uygulamalarında kullanılan 270 VAC (500 ... 900 VDC) oranından daha yüksek ve çok benzerdir (şekil 4). 2.3 Aktif ön kısımlı (front end) FV şebeke tarafı invertör (GTI) Aşağıda açıklanan güneş paneli, güneş panelleri yanında bulunan simetrik gerilim yükselticili aktif ön kısım, invertör istasyonuna DC iletim hattı, endüstriyel şebeke tarafı dönüştürücü, sinüs filtre ve standart hat gerilimli OG trafodan oluşan megavat sınıfı FV için bir güç dönüştürücü düzenidir (şekil 5). Inverter giriş gerilimi, AC trafo giriş gerilimine göre optimize edilmiş, ve (m) modülasyon faktörü 1‘e yakındır. ABD deki örnek ugulama Şekil 5’teki devrede FV gerilimi 200 V-600 V aralığında olup; yükseltici çıkış gerilimi/iletim gerilimi 800 VDC; çıkış, 3 x 480 V ve standart transformatör kullanılmıştır. 600 V silikon ön kısımda ve 1200 V silikon inverterde kullanılmıştır. 400 V’luk FV gerilim için örneğin, DC iletim kayıplarını 4 kat daha düşük iken iletim gerilimi 800 V’tur. FV panellerden gelen dalgalanma akımının nispeten düşük olması istenmekteydi. Bu FV paneller ve ön kısım birimi arasında yüksek indüktans ile elde edilebilirdi. Fakat, aynı zamanda artırılmış anahtarlama frekansı da istenmekteydi. Bağlantı kablolarının endüktansı akımı dalgalanmasının azaltılması üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir. 100 m’den uzun kablonun 0.1mH den fazla bir entüktansı vardır.
Avrupa’dan örnek bir uygulama 400-900 V aralığındaki FV için ön yükseltici 3 x 400 V için 650 V veya 800 V için 3 x 480 V üretir. Eğer FV gerilimi 650 veya 800 V’den daha yüksek ise yükselci fonksiyonu kapatılır ve FV gerilimi GTI’ye değişmeden gider. Ön yükseltici, çıkış geriliminin üst ve alt yarısını dönüşümlü olarak besler ve üst IGBT1 ve alt IGBT2 anahtarlama peryodunun yarısında iletime sokulduğu zaman örneğin 180 °’lik elektrik, bir gerilim katlayıcı olarak çalışır. Bu operasyon yönteminin büyük avantajları vardır. Çünkü FV panelin çıkış akımı sabit ve ek yüksek indüktans (L1 ve L2) kulwsı şekil. 6’da gösterilmektedir. FV gerilim her zaman iki katına (800 V ... 1800 V ) çıkarılır. 1800 V GTI’de kullanılan düşük voltajlı silikon için çok yüksektir. Öyleyse iki seri hücreli OG rüzgar türbinlerinde de aynı fakir kullanılabilir. Hücre bypass devresi, gerilim çoklayıcı yanına monte edilebilir ve iki seri çevirici için gerekli DC gerilimi ayarlayabilir. Böylece, iletim gerilimi PV çıkış geriliminden 4 kat daha yüksek olacaktır. Örnek 1: PV gerilimi 400 V ... 900 V; çoklayıcı gerilimi 800 ... 1800 V, 2 x 3 x 480 V trafo için 1600 V dan sonra yükseltici etkisi olmadan ikinci yükseltici çıkış gerilim/iletim gerilim/invertör gerilimi: 1600 V ... 1800 V,. kullanılan tüm anahtarlar 1200 V’tur. Örnek 2: PV gerilimi: 400 ... 900 V, çoklayıcı gerilimi 800 ... 1800 V, 2 x 3 x 690 V trafo için ikinci yükseltici çıkış gerilim/iletim gerilim/invertör gerilimi: 2200 V = 2 x 1100 V. Gerilim çoklamada kullanılan silikon 1200 V ve geri kalan IGBT’ler ve diyotlar 1700 V’tur. Eğer taşıyıcı anahtarlama frekansı 4 kHz’den daha küçük ise 1700 V silikonlu invertör verimi 1200 V‘dan daha yüksektir. 2200 V iletim gerilimi için iletim kayıpları, klasik 550 V’luk PV gerilimli doğrudan bağlantının kayıplarından 16 kez daha düşüktür (Aynı bağlantı kabloları kullanılarak). Şebeke tarafındaki üst ve alt taraftaki invertörler aynı güç ve faz akım değerlerine sahiptir ve sargılara galvanik izolasyon ile bağlanır. Bu nedenle Interleave PWM kolayca uygulanabilir. Paralel çalışan iki invertör için interleave faz kaydırması anahtarlama periyodunun yarısı kadardır. Yapılan simülasyonda; inverter 1 ve 2’nin (fsw=1kHz) THD = %19’dur ve bu akımların toplam (şebeke akımı) THD’si %3.8 gibi çok düşük değerdedir. Interleave PWM kullanılması avantaj sağlar. Sadece tek bir endüktanslı alçak-geçiren filtre kullanılmıştır. L_total = %12’dir (uk =% 4; kısa devre trafo gerilimine karşılık gelen kaçak trafo endüktansı dahildir). THD değeri %4´ün altında bir akım için sinüzoidal çıkış filtresinin %12 endüktanslı bir şebeke invertörünün anahtarlama frekansı 6 kHz’den daha yüksek olması gerekmektedir. 3. Sonuç RT güç elektroniği, sadece 1700 V silikon IGBT ve diyotlara dayanmaktadır. İki invertörün arka arkaya bağlı olduğu DFIG rüzgar türbini yapıları, akım yaklaşımları nedeniyle daha az popüler hale gelmektedir. Geliştirilen RT’lerin güçleri 3-5 MW aralığındadır. 2, 3 ve hatta 6 üç fazlı jeneratör sargılı, bağımsız kontrollü, yüksek modüler güç sağlayan, ayrıca bir arıza durumunda redundant çalışan, aynı sayıda bağımsız sürücüler kullanır. RT için yeni bir tasarım önerisi; by-pass devreli hücreler dizisine sahip OG hat tarafı invertör ile beraber OG jeneratör ve AG şebeke tarafı-invertörler (GTI) bağımsız OG trafo sargılarına bağlı bir yapı. FV uygulamaları 1 MW güce kadar şebeke-tarafı-invertörlere (GTI) dayalı ve doğrudan FV panellerine bağlıdır. FV uygulamalar için yapılan öneriler yüksek sistem verimliliğini amaçlamaktadır. İçeriğinde gerilim-çoğaltıcı ve seri iki hücre vardır. İletim gerilimi 4 kat daha yüksek, çıkış filtresini önemli ölçüde azaltan interleave PWM kontrol kullanılmakta ve invertör modülasyon faktörü 1’dir. 4. Kaynakça [1] D. Schreiber “State-of-the-Art of Variable Speed Wind Turbines”, 11th INTERNATIONAL SYMPOSIUM on POWER ELECRONICS-Ee2001 Novi Sad, YUGOSLAVIA, OCT.31-NOV. 2, 2001 [2] www.semikron.com [3] D. Schreiber “Power Electronics for Windmill Application”, Wind Power Asia Shanghai 2007 [4] D. Schreiber “Power Electronics for MW Wind Turbines”, 15th INTERNATIONAL SYMPOSIUM on POWER ELECTRONICS-Ee2009 Novi Sad, Republic of SERBIA, OCT.26th – 30th, 2009 [5] P. Beckedahl, “SKiiP – An intelligent power module for wind turbine inverters” EPE Wind Energy Chapter, Stockholm April 2009 [6] D.Schreiber, P.Beckedahl, I. Staudt “Medium voltage line side inverter for windmill applications”, EPE Wind Energy Chapter, Stockholm, April 2009 [7] Ana Vladan Stankovic & Dejan Schreiber “HANDBOOK OF RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGY” edited by Ahmed F Zobaa (Camborne School of Mines, UK) & Ramesh Bansal (University of Queensland, Australia) 3e dergisi eylül sayısından alıntıdır. Bu haber 1944 defa okunmuştur.
|
GALERİAKTUEL HABERGAZETELER |
|||||||||
|
Sitemizdeki yazı,resim ve haberlerin her hakkı saklıdır.
İzinsiz,kaynak gösterilmeden kullanılamaz. Altyapı: MyDesign Haber Sistemi |
|||||||||||