magyar elektronika

Elfogadom az adatkezelési tájékoztatóban foglaltakat:*

Beckhoff lidMegújuló energiák: erőművezérlés beágyazott PC-kkel és TwinCAT szoftverrel

A németországi Karlsruhe-i Műszaki Egyetem (KIT) Villamosenergia-rendszerek és Nagyfeszültségű Technika (IEH) Intézetében új módszereket kutatnak a megújuló energiákra való áttérés miatt átalakulóban lévő erősáramú hálózatok rendszerszintű stabilitásának biztosítására. A szimulációs vizsgálatok mellett létrehoztak egy olyan elszigetelt tesztelőkörnyezetet is, amelyben emulálják az erőművek és az áramátalakítós (inverteres) energiatermelő rendszerek viselkedését. Itt a kutatók a Beckhoff beágyazott PC-in futó TwinCAT környezetben ellenőrzik vissza, hogy milyen módon viselkednek innovatív, új vezérlési módszereik valós körülmények között.

 

Sok erősáramú hálózatban növekszik a megújuló energiaforrásokból származó villamos energia részaránya. A hagyományos szinkrongenerátoros erőművekkel ellentétben a szél- és naperőművek inverteren keresztül táplálják be az előállított energiát a hálózatba. Ha ennek részaránya meghalad egy bizonyos szintet, az inverterek hagyományos hálózatkövető vezérlése esetén stabilitási problémák lépnek fel. Innovatív vezérlési módszerekre van ezért szükség, hogy ne kelljen korlátozni a megújuló energiákon alapuló energiatermelő rendszerek részarányát. A cél az, hogy ezek az úgynevezett hálózatképző vezérlési módszerek inverteres betáplálás esetén is támogassák a már több mint 100 éve szinkrongenerátorokkal üzemelő erőművi rendszereket. Ilyen módon azonnali tartalékként lehet használni a szélturbinák által szolgáltatott teljesítményt is.

 

Hálózatemuláció

Az európai egyesített villamoshálózaton nem vizsgálható, hogy milyen módon viselkedik egy áramátalakító erősen változó hálózati frekvencia esetén. Az IEH-nál ezért emulált hálózatot építettek a nagy erőművek és a nagy erősáramú hálózatok életszerű viselkedésének vizsgálatára. Az emulált hálózat egy olyan szinkrongenerátorból áll, amelynek gerjesztőrészét nem turbina, hanem egy invertert és egy aszinkron gépet tartalmazó, változtatható sebességű hajtásrendszer vezérli. Az erőművi turbinákéhoz hasonló tehetetlenségi nyomatékot egy tengelyre szerelt lendkerék emulálja. Fogyasztók csatlakoztatásával létrehozhatók olyan frekvenciaesések, amilyenek zavar esetén lépnek fel az erősáramú hálózatokon. Az azonnali energiatartalék fizikai betáplálása esetén a szigetüzemű emulált hálózatra csatlakoztatott energiaforrások (a teljesítményelektronikával emulált hálózatokkal ellentétben) azonnal vissza tudnak hatni a hálózat frekvenciájára.
Központi automatizálási és vezérlőeszközként a Beckhoff CX5140-típusú beágyazott PC-je szolgál, a mechanikai és elektromos változókat pedig különféle EtherCAT terminálokkal mérik. A fordulatszám gyors méréséhez mindkét gépbe jeladót szereltek, amelyeket EL5021-típusú SinCos jeladóterminálokon keresztül értékelnek ki. A nyomatékokat két nyomatékmérő tengely és egy ELM300x-típusú analóg feszültségmérő terminál rögzíti. A három fázis feszültség-, áram- és teljesítményértékeit EL3783-típusú, áramváltóval összekötött erősáramú felügyeleti túlmintavételező terminálok rögzítik. A CX5140-típusú beágyazott PC EtherCAT-en keresztül kommunikál a hajtás inverterével. A szinkrongenerátor gerjesztőgépének vezérlőjelét egy EL2535-0005-típusú, a kimenő áramot impulzusszélesség-modulációval vezérlő terminál adja. Az erősáramú mágneskapcsolókat további beavatkozószervként EL2634-típusú reléterminálok vezérlik.
A zárt hurkú vezérlést MATLAB®/Simulink® szoftverben tervezték meg modellalapú tervezéssel, majd fordítás után TwinCAT 3 Target for Simulink® programmal valós időben futtatták a beágyazott PC-n. A vizsgálat elvégzéséhez szükséges, könnyen használható kezelőfelületet TwinCAT HMI használatával valósították meg; erről lehet üzem közben módosítani a vezérlés paramétereit, valamint a beállítási- és határértékeit. A kezelőfelületen grafikusan meg lehet jeleníteni a mérési adatokat és az erőmű állapotát. A mérési adatok megjelenítése és rögzítése a TwinCAT Scope View eszközzel történik.

 

Beckhoff 1

A hálózatemuláció üzemeltetése és figyelése TwinCAT HMI-alapú
kezelőfelületen (© IEH/KIT)

 

 

Inverteremuláció

Az inverteres erőművekhez kifejlesztett vezérlési módszerek vizsgálatához olyan rugalmas tesztelőkörnyezet szükséges, amely elegendő szabadságot biztosít a vezérlési módszerek megvalósításához. Mivel az első lépés az áramátalakító hálózatoldali vezérlésének vizsgálata, egy háromfázisú inverter modulációjának és teljesítmény-félvezetőinek viselkedését három lineáris feszültségerősítővel lehet emulálni. Ennek során az erősítők vezérelt ideális feszültségforrásként működnek. Az emulált inverter vezérlőszekrénye a feszültségerősítő és az emuláció szigethálózata között található. Ebben a szekrényben helyezték el a vezérlőeszközökön, áramkörökön kívül az állítható hálózati szűrőt, a feszültség- és árammérő műszereket, valamint a mágneskapcsolókat és a megszakítókat is.
A tesztelőkörnyezetben is egy beágyazott PC és számos EtherCAT terminál alkotja a mérések központi egységét. Egy CX2030-típusú beágyazott PC a bonyolult programokat is gyors ciklusidőkkel képes futtatni. Hat EL3702-típusú kétcsatornás analóg bemeneti terminál rögzíti a három fázis több pontján Hall-szondákkal mért feszültség- és áramértékeket. A feszültségcélértékek az EL4732-típusú analóg kimeneti terminálokon jelennek meg, és a feszültségerősítőre kerülnek.
A hálózatemulációhoz hasonlóan a MATLAB®/Simulink® környezetben kifejlesztett és ellenőrzött vezérlési módszereket is valós időben futtatják a CX2030-típusú beágyazott PC-n. A lényegi különbség a vezérlés ciklusideje, ami itt mindössze 50 µs. Az EtherCAT terminálokat és feszültségerősítőt használó elrendezésben a teljes vezérlési hurok holtideje mindössze 150 µs. A mérési környezet kezelése és megfigyelése is egy TwinCAT HMI-alapú kezelőfelületen keresztül történik. Ennek tekintetében igen fontos tényező, hogy a határértékek túllépését gyorsan érzékeli a rendszer és szükség esetén biztonságosan lekapcsol.

 

Beckhoff 2

Inverteremulációnál a CX2030-típusú beágyazott PC-vel rövid, mindössze
50 µs-os vezérlési ciklusidők érhetők el (© IEH/KIT)

 

 

A tesztelőkörnyezet

Az inverteremuláció és a hálózatemuláció együttes megvalósításával létrehozott, szigethálózatot alkotó tesztelőkörnyezetben könnyen vizsgálhatók az új hálózatképző vezérlési módszerek. Az inverteres szinkrongenerátor viselkedését emuláló úgynevezett „Synchronverter” vezérlési módszer vizsgálatát már elvégezték, és az eredményeket közzétették. A kísérletek azt mutatták, hogy megfelelő vezérléssel ellátott inverteres energiatermelő rendszerekkel azonnal betáplálható tartalékteljesítmény, támogatva az erősáramú hálózatot. A valós idejű emulációktól eltérően itt azt is bizonyítani lehetett, hogy a hálózatképző vezérlés megvalósítható egy ipari közegekben már elterjedten használt vezérlőkörnyezetben.
A továbbiakban a hálózatképző vezérlési módszerek fejlesztésénél a cél az lesz, hogy használni lehessen őket áramátalakítós üzemi környezetekben, például szélerőművekben. Az inverteremuláció sikeres vizsgálata után most egy olyan tesztelőkörnyezet kialakításán dolgoznak, amely egy csökkentett teljesítményű szélerőmű-generátort és teljes invertert tartalmazó hajtásláncot fog emulálni. Fontos, hogy ebben a környezetben szélturbinákban használt rendszerelemeket – például vezérlőeszközöket és nagy teljesítményű félvezetőket – fognak használni. Annak a vizsgálata, hogy milyen módon lehet egy szélturbinában hálózatképző vezérlőrendszert alkalmazni, folytatódik. (www.ieh.kit.edu; www.beckhoff.com/wind)

 

Publikációk:

  • Schulze, W. et al.: Emulation of grid-forming inverters using real-time PC
    and 4-quadrant voltage amplifier. Forschung im Ingenieurwesen [Engineering Research] 85, 425–430 (2021).
  • Schulze, W. et al.: Frequency influenceable grid emulation for the analysis of grid-forming inverters using a generator set. Előadás, 55th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Torino, Olaszország (2020).

 

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail: info@beckhoff.hu
www.beckhoff.com