Zespół
dr hab. inż. Zbigniew Fedyczak prof. UZ
dr inż. Jacek Kaniewski

Istota wynalazku

Wynalazek dotyczy układu hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego znajdującego zastosowanie w elektroenergetyce.
Wolnym niedogodności znanych rozwiązań jest zgłoszony do ochrony układ hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć i zapadów napięcia przemiennego o n fazach zawierający transformator o n uzwojeniach pierwotnych i odpowiadających im n głównych uzwojeniach wtórnych i n pomocniczych uzwojeniach wtórnych, w którym według wynalazku pierwsze końce głównych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są z odpowiadającymi im zaciskami n-fazowego odbiornika. Pierwsze końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania oraz z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony zasilania. Drugie zaciski dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania połączone są z pierwszymi zaciskami dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika i z pierwszymi zaciskami odpowiadających im elementów indukcyjnościowych. Drugie zaciski dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających im kondensatorów strony odbiornika i z drugimi końcami głównych uzwojeń wtórnych transformatora. Drugie końce pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są ze sobą tworząc wspólny węzeł, do którego przyłączone są drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika zasilania, drugie zaciski elementów indukcyjnościowych i drugie zaciski kondensatorów strony odbiornika. Do zacisków n-fazowego odbiornika przyłączony jest sterownik kompensatora, którego wyjścia dołączone są do zacisków sterujących odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika.

Korzystnie sterownik kompensatora na wejściach przyłączanych do odpowiadających im zacisków n-fazowego odbiornika wyposażony jest w detektory wartości szczytowej napięcia podające sygnały proporcjonalne do wartości maksymalnych napięć do węzłów sumacyjnych, do których podawane jest napięcie referencyjne ze źródła napięcia referencyjnego. Sygnały wyjściowe z węzłów sumacyjnych podawane są do odpowiadających im regulatorów typu PI, a z nich do odpowiadających im modulatorów szerokości impulsu PWM, z których otrzymywane są parami wzajemnie zanegowane sygnały podawane do zacisków sterujących odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania i dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony odbiornika.

Zaletą układu według wynalazku jest szeroki zakres płynnej regulacji napięcia obciążenia przeprowadzany z dużą dynamiką, pozwalający na stabilizację napięcia obciążenia w warunkach głębokich przepięć i zapadów napięcia zasilania. Ponadto zastosowanie bezpośredniego przekształtnika AC/AC jakim jest sterownik matrycowo-reaktancyjny pozwala na eliminację obwodu pośredniczącego prądu stałego, a tym samym magazynów energii elektrycznej prądu stałego i układów kontrolno-pomiarowych nadzorujących eksploatację zasobników energii prądu stałego. Dodatkowym atutem w porównaniu do znanych rozwiązań jest separacja galwaniczna pomiędzy źródłem zasilania a obciążeniem.

Korzyści z zastosowania wynalazku

W ujęciu ogólnym, korzyści wynikają z nowych funkcjonalności proponowanego rozwiązania transformatora hybrydowego (TH), który proponuje się zastosować w systemach elektroenergetycznych w tym dystrybucyjnych typu Smart Grid z odnawialnymi źródłami energii OZE, zamiast powszechnie stosowanych transformatorów elektromagnetycznych (TE). Zastosowanie wynalazku pozwoli na (i) poprawę niezawodności dostaw i oszczędności energii elektrycznej, co wynika z poprawy jakości zasilania przez utrzymywanie odpowiednich parametrów napięcia przemiennego zasilającego urządzenia elektryczne, (ii) znacznego ograniczenia strat ekonomicznych powodowanych przepięciami i zapadami napięcia zasilania, zwłaszcza w systemach zasilania urządzeń “wrażliwych”. Jest istotne, że koszt TH będzie tylko o ok. 10-20% większy niż TE, a korzyści będą zarówno po stronie dostawcy, zwłaszcza w postaci poprawy jakości zasilania, jak i po stronie odbiorcy energii elektrycznej, zwłaszcza w postaci zmniejszenia strat ekonomicznych.

Potencjał komercjalizacji

W ujęciu ogólnym szacuje się, że koszty ekonomiczne na świecie powodowane złą jakością zasilania energią elektryczną są na poziomie kilkuset miliardów Euro rocznie (w Europie ok. 100 miliardów Euro). Duża część tych kosztów jest związana z zaburzeniami (niedopuszczalnymi zmianami) napięcia. W proponowanym rozwiązaniu transformatora hybrydowego (TH) jest stosowany zmodyfikowany transformator elektromagnetyczny (TE) oraz przekształtnik energoelektroniczny prądu przemiennego.

Prototyp TH małej mocy (ok. 15 kVA) zrealizowany przez autorów wynalazku przy współpracy z krajowym producentem TE był już przedmiotem badań eksperymentalnych, których wyniki poddano weryfikacji w postaci publikacji w renomowanych czasopismach i konferencjach międzynarodowych. Skuteczna implementacja TH w systemach elektroenergetycznych wymaga kontynuacji ich badań eksperymentalnych w zakresie większych mocy i w warunkach użytkowania oraz realizacji typowych prac w zakresie technicznego przygotowania produkcji (TPP).