Omvormer gedomineerd microgrid met autonome WKK via asynchrone generator

Transcriptie

1 FACULTEIT INDUSTRIELE INGENIEURSWETENSCHAPPEN TECHNOLOGIECAMPUS GENT Omvormer gedomineerd microgrid met autonome WKK via asynchrone generator Tom VAN AUTREVE Mathias VAN DEN BOSSCHE Promotor(en): Dr. Ir. J. CAPPELLE Ing. S. CAUWELS Co-promotor(en): Ing. A. COLLE; Dr. Ir. B. Huyck; Dr. Ing. T. VAN MAERHEM Masterproef ingediend tot het behalen van de graad van master of Science in de industriële wetenschappen: Master in de industriële wetenschappen: energie Academiejaar

2 Copyright KU Leuven Zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van zowel de promotor(en) als de auteur(s) is overnemen, kopiëren, gebruiken of realiseren van deze uitgave of gedeelten ervan verboden. Voor aanvragen i.v.m. het overnemen en/of gebruik en/of realisatie van gedeelten uit deze publicatie, kan u zich richten tot KU Leuven Technologiecampus Gent, Gebroeders De Smetstraat 1, B-9000 Gent, of via iiw.gent@kuleuven.be. Voorafgaande schriftelijke toestemming van de promotor(en) is eveneens vereist voor het aanwenden van de in deze masterproef beschreven (originele) methoden, producten, schakelingen en programma s voor industrieel of commercieel nut en voor de inzending van deze publicatie ter deelname aan wetenschappelijke prijzen of wedstrijden.

3 i DANKWOORD Bij een dankwoord wordt het risico genomen om iemand te vergeten, bij deze een poging om de dankbaarheid te uiten aan de vele personen die aan deze scriptie meewerkten. Dank aan het bedrijf E. Van Wingen N.V. voor het bieden van de kans om deze installatie met mini-wkk te kunnen testen en de nodige materiele ondersteuning te krijgen. Dank aan dhr. Stefaan Cauwels, die vanuit E. Van Wingen N.V., het project met veel geduld opvolgde. Dank aan het bedrijf Emerson voor de heel voordelige verkoop van de motoren en drive die nodig waren om een testopstelling te kunnen verwezenlijken op de campus. Dank aan de complete afdeling energie-elektrotechniek van de faculteit industriële ingenieurs wetenschappen KU Leuven aan de technologiecampus Gent. In het bijzonder onze dank aan promotor Dhr. Jan Cappelle en copromotoren Dhr. Auguste Colle, Dhr. Bart Huyck, Dhr. Thomas Van Maerhem voor de theoretische en materiële input. Dank aan onze collega studenten, onze familie en vrienden om ons te steunen bij de realisatie van deze masterproef. Door de samenwerking van al deze mensen, gecombineerd met onze eigen inzichten, motivatie en doorzetting is deze masterproef tot stand kunnen komen. Tom Van Autreve Mathias Van den Bossche Mei 2016

4 ii ABSTRACT In samenwerking met E. Van Wingen wordt een regeling ontworpen voor het sturen van energiestromen in een autonoom driefasig net met variabele frequentie. Het autonoom net wordt opgebouwd met behulp van lood-calcium batterijen en drie 48V, 3.5kW omvormers, één per fase. Op de AC-bus is een mini-wkk met nominaal 3f vermogen van 12 kw gekoppeld waarvan de generator een vier polige asynchrone machine is met een vaste mechanische toerentalregeling op 1530 tpm. Door het implementeren van een variabele frequentieregeling wordt de vermogen-injectie van de mini-wkk variabel waardoor een onderdimensionering van de omvormers mogelijk wordt. De beperkte laadstroom van 150 A die de omvormers kunnen laden naar de batterijen beperkt deze onderdimensionering. Wanneer er een groot verbruik wordt uitgeschakeld, moeten de omvormers kortstondig meer vermogen opnemen waardoor de maximale laadstroom overschreden wordt. De regeltijd en het maximaal vermogen worden bepaald door de grenzen van het toelaatbaar (kortstondig) overbelasten van de omvormers. De interne regeling van de omvormers laat enkel een frequentieregeling in functie van batterijspanning toe, wat leidt tot ongewenste oscillaties van frequentie in het microgrid. De gekozen oplossing regelt aan de hand van de state of charge van de batterijen en het aangelegde actief verbruikt vermogen. Op basis van de state of charge van de batterijen kan men bepalen hoeveel vermogen de batterijen op dat moment kunnen opnemen. Dit laadprofiel wordt samen met het gemeten actief verbruikt vermogen gebruikt om de vermogensinjectie in het microgrid te bepalen. Metingen en testresultaten die gebeurd zijn op een testopstelling met een verlaagd vermogen van 2.2 kw hebben uitgewezen dat de frequentieregeling functioneert en zo het microgrid stabiel maakt. Verdere testen op de reële mini-wkk waren nodig om te kunnen bepalen of de onderdimensionering mogelijk zou zijn op basis van de gekozen oplossing. Deze metingen zullen op het einde van deze scriptie verduidelijkt worden.

5 iii Inhoudsopgave 1 Inleiding Algemeen Concept Doel van de thesis Overzicht van de thesis Voorstudie WKK en mini-wkk WKK Mini-WKK Autonoom versus netgekoppeld systeem Verplichtingen bij netkoppeling Gevolgen voorschriften Besluit keuze Samenvatting wettelijke procedures Asynchrone versus synchrone machine Synchrone machine Asynchrone machine Besluit Microgrid De omvormer De batterij Vermogensinjectie in functie van de statorfrequentie Algemeen principe Cirkeldiagram voor motorwerking Cirkeldiagram bij generatorwerking Berekening en meting geïnjecteerd vermogen in functie van de statorfrequentie Samenvatting Voorstudie Probleemstelling Regeling in omvormer Regeling Probleemstelling Besluit Mogelijke oplossingen Regeling op basis van DC-stroom Regeling op basis van batterijspanning en verbruikt vermogen... 58

6 iv 5 Regeling op basis van de SOC en het actief verbruikt vermogen Parameters en randvoorwaarden van de regeling Parameters aan WKK-zijde Parameters van de omvormers Randvoorwaarde 1: Onder- en bovengrens SOC(%) Randvoorwaarde 2: continu of niet-continu bedrijf Randvoorwaarde 3: Ideaal laadvermogen van de batterij Flowchart van de regeling Regeling Deel 1: SOC < SOC min Deel 2: SOC min< SOC < SOC max_bulk Deel 3: SOC max_bulk < SOC < SOC min_abs Deel 4: SOC min_abs < SOC < SOC Max Deel 5: SOC > SOC Max SCADA-systeem Communicatiemodule Xcom-232i Xtender serieel protocol Aansluitingen van de connectoren Initialisatie van de seriële communicatie Volledig frame protocol Batterij status processor (BSP) Digitale afdruk verbeteren Bepalen van de SOC Besluit BSP Meting actief verbruikt vermogen Programmable logic Controller (PLC) Integratie regeling in PLC Samenvatting SCADA-systeem Metingen op regeling Metingen testopstelling verlaagd vermogen Algemeen Meting communicatie Statische metingen Dynamische metingen Besluit test verlaagd vermogen Algemeen besluit Besluit testen verlaagd vermogen

7 v 8.2 Besluit opstelling Mogelijke verbeteringen Monitoring batterijen Controle antwoorden in PLC programma Uitschakelen van de WKK Bibliografie Bijlage

8 vi Figurenlijst Figuur 1: Algemeen concept 1 Figuur 2: keuzediagram voorstudie 3 Figuur 3: PEB WKK versus STEG + ketel [1] 4 Figuur 4: mini-wkk [2] 5 Figuur 5: onderdelen mini-wkk [3] 5 Figuur 6: Intern rookgastraject [3] 6 Figuur 7: voorstelling warmtecircuit [3] 6 Figuur 8: ontkoppelingsrelais XU2-AC [4] 9 Figuur 9: Wettelijke procedures voor installeren mini-wkk 10 Figuur 10: principe buitenpooltype [7] 11 Figuur 11: principe binnenpooltype [8] 12 Figuur 12: vliegwiel alternator [9] 13 Figuur 13: turbo alternator [10] 13 Figuur 14: Asynchrone machine met kooirotor [11] 14 Figuur 15: Asynchrone machine met bewikkelde rotor [11] 14 Figuur 16: equivalent schema asynchrone machine 15 Figuur 17: vectordiagram bij nullast 16 Figuur 18: vereenvoudigd equivalent schema + verdeling actief vermogen motor werking 16 Figuur 19: vectordiagram bij belasting 17 Figuur 20: equivalent schema + verdeling actief vermogen generatorwerking4 18 Figuur 21: vectordiagram generatorwerking 18 Figuur 22: Vereenvoudigd equivalentschema asynchrone machine 19 Figuur 23:koppel-slip karakteristiek [13] 20 Figuur 24: Rendement volgens IEEE 112-B met gelijke statorstroom in beide werkingsmodes [34] 21 Figuur 25: Studer Xtender XTM [15] 23 Figuur 26: de 3 fasen van opladen. [19] 25 Figuur 27: minimale oplaadcyclus [18] 26 Figuur 28: minimale oplaadcyclus Ubat(t) [18] 26 Figuur 29: standaard oplaadcyclus [18] 27 Figuur 30: Standaard oplaadcurve Ubat(t) [18] 27 Figuur 31: samenstelling lood-zuur batterij. [22] 29 Figuur 32: chemische samenstelling lood-zuur batterij [22] 30 Figuur 33: voorbeeld AGM [24] 32 Figuur 34: Samenstelling van de AHI batterij [28] 33 Figuur 35: opbouw van de AHI batterij [27] 33 Figuur 36: Aquion batterij in S-stack [26] 34 Figuur 37: Externe voedingsbron 35 Figuur 38: oplading van een Aquion stack 35 Figuur 39: karakteristiek fabrikant [32] 36 Figuur 40: Laadvermogen in functie van de tijd 37 Figuur 41: spanning en stroom i.f.v. de tijd 37 Figuur 42: Aquion met drie fasen opladen 39 Figuur 43: spanning en stroom bij opladen 40 Figuur 44: Laadvermogen in functie van de tijd 41 Figuur 45: SOC i.f.v. de tijd 41 Figuur 46: laadvermogen i.f.v. SOC 42 Figuur 47: resultaat van selectietool [31] 43 Figuur 48: resultaat selectietool met gewicht in rekening gebracht [31] 44 Figuur 49: rotortoerental varieert [14] 45 Figuur 50: schets statorfrequentie varieert [14] 45 Figuur 51: vereenvoudigd enkelvoudig schema 46 Figuur 52: Cirkeldiagram van Osanna bij motorwerking 47 Figuur 53: Vermogensverdeling bij motorwerking 47

9 Figuur 54: Cirkeldiagram bij generatorwerking 48 Figuur 55: vermogen indeling bij generatorwerking 49 Figuur 56: grafiek met berekende en gemeten waarden 50 Figuur 57: grafiek berekend voor de asynchrone machine bij EVW 51 Figuur 58: situatieschets opstelling EVW 52 Figuur 59: schets statorfrequentie opschuiven [14] 53 Figuur 60: regeling in Xtender [20] 54 Figuur 61: regeling omvormer met gegevens 54 Figuur 62: vermogensverdeling bij 50Hz op AC-bus [35] 55 Figuur 63:vermogensverdeling bij 51Hz op AC-bus [35] 56 Figuur 64: vermogen op AC-bus [35] 57 Figuur 65: Onder- en bovengrens SOC 60 Figuur 66: Continu of niet-continu bedrijf bij willekeurig belasting profiel 61 Figuur 67: Laadvermogen ifv SOC 61 Figuur 68: Flowchart regeling 63 Figuur 69: Vermogensstroom bij deel 1 64 Figuur 70: Vermogensstroom bij deel 2a 65 Figuur 71: Vermogensstroom deel 2b 66 Figuur 72: Kortstondige vermogensstroom bij stijgend verbruik 66 Figuur 73: Vermogensstroom deel 3a 67 Figuur 74: Vermogensstroom deel 3a 67 Figuur 75: Vermogensstroom deel 3b 68 Figuur 76: Vermogensstroom deel 3c 69 Figuur 77: Vermogensstroom deel 4a 70 Figuur 78: Vermogensstroom deel 4b 71 Figuur 79: Vermogensstroom deel 4c 72 Figuur 80: Vermogensstroom deel 5a 72 Figuur 81: Vermogensstroom deel 5b 73 Figuur 82: Niet-gewenste vermogensstroom 73 Figuur 83: Aansluiting communicatiemodule [36] 75 Figuur 84: Xcom-232i communicatiemodule [36] 75 Figuur 85: RS232 DB-9 connector 76 Figuur 86: aan te sluiten pinnen [37] [38] 76 Figuur 87:Straight trough cable [38] 77 Figuur 88: Null modem cable [38] 77 Figuur 89: Volledig frame protocol [39] 78 Figuur 90: Data frame [39] 80 Figuur 91: Frame_data vraag bij uitlezen van data [39] 80 Figuur 92: Frame_data antwoord bij uitlezen van data [39] 82 Figuur 93: Frame_data vraag bij verzenden van data [39] 83 Figuur 94: Frame_data antwoord bij verzenden van data [39] 83 Figuur 95: SOC vs werkelijke SOC voor BSP-Studer [40] 84 Figuur 96: BSP van Studer [40] 84 Figuur 97: aansluiting BSP en shunt [40] 85 Figuur 98: principe van de Coulomb telling [42] 87 Figuur 99: Socomec Diris A40 [43] 88 Figuur 100: Saia PCD3 Compact [44] 89 Figuur 101: Volledige regeling opgesteld in afloopsturing 90 Figuur 102: Deel1: Initialisatie communicatie en laden van gegevens 90 Figuur 103: Deel 2: Keuzes en berekeningen obv SOC en Pverbruik 91 Figuur 104: Deel 3: Bepalen en verzenden van de frequentie op het net 92 Figuur 105: Samenstelling volledige SCADA-systeem 92 Figuur 106: nabootsing mini-wkk met 2 ASM 93 Figuur 107: Xtender omvormers + SCADA + batterijen 94 Figuur 108: gebruikte belastingsbank 94 Figuur 109: scoopbeeld communicatie 95 Figuur 110: tijd tussen veranderen verbruik en aanpassing geïnjecteerd vermogen 95 vii

10 Figuur 111: metingen met behulp van geïsoleerde probes en stroommeetprobes 96 Figuur 112: schematische voorstelling metingen 96 Figuur 113: scoopbeeld bij deel2a 97 Figuur 114: verwachte stromen bij deel2a 98 Figuur 115: aansluiting stroomprobes 98 Figuur 119: hypothetisch met verbruik 99 Figuur 116: scoopbeeld bij deel2b 100 Figuur 120: vectordiagram bij deel 2b 100 Figuur 117: scoopbeeld bij deel2c 101 Figuur 121: vectordiagram bij deel 2c 101 Figuur 122: scoopbeeld bij 3 en 4a(1) 102 Figuur 123: scoopbeeld bij 3 en 4a(2) 103 Figuur 124: scoopbeeld bij 3 en 4b 103 Figuur 125: scoopbeeld deel3 en 4c 104 Figuur 126: schematische voorstelling metingen dynamisch 105 Figuur 127: inschakelen van een belasting 105 Figuur 128: schets inschakelfenomeen 107 Figuur 129: inschakelfenomeen aan de hand van schema's 108 Figuur 130: voorstelling inschakelfenomeen ifv de tijd 109 Figuur 131: scoopbeeld uitschakelfenomeen 109 Figuur 132: vectordiagrammen uitschakelfenomeen 110 Figuur 133: uitschakelfenomeen ifv de tijd 110 Figuur 134: Huidige regeling 111 Figuur 135: oorspronkelijke regeling 111 Figuur 136: oorspronkelijke opstelling 112 Figuur 137: uitgebreide opstelling met SCADA 112 viii

11 ix LIJST VAN TABELLEN Tabel 1: voordelen Aquion batterij tov de loodzuur batterij [26] Tabel 2: berekeningen geïnjecteerd vermogen testopstelling campus Tabel 3: berekening vermogen opstelling EVW Tabel 4: meetgegevens deel2a... Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd. Tabel 5: meetgegevens deel2b Tabel 6: meetgegevens deel2c Tabel 7: meetgegevens deel3 en 4a Tabel 8: meetgegevens deel3 en 4 a Tabel 9: meetgegevens deel3 en 4b Tabel 10: meetgegevens deel3 en 4c

12 x Verklarende woordenlijst EVW E. Van Wingen N.V. WKK Warmtekrachtkoppeling PEB Primaire energiebesparing U Spanning in Volt I Stroom in Ampère P Actief vermogen in Watt S Schijnbaar vermogen in Voltampère Q Reactiefvermogen in Voltampère reactief STEG Stoom- en gascentrale f Frequentie in Hertz SOC State Of Charge/ stand van het laden CV Centrale Verwarming KMO Kleine of middelgrootte onderneming AREI Algemeen Reglement op de Elektrische Installaties euro n r rotortoerental n s statortoerental p aantal poolparen N aantal windingen/ het aantal actieve geleiders in serie per fase ε ind geïnduceerde spanning B de magnetische inductie gerealiseerd door de rotor L de actieve lengte van de statorgeleiders v de omtreksnelheid ASM asynchrone machine R 1 koper verliezen in de stator X s1 lekreactantie stator X s2 lekreactantie rotor R 2 koper verliezen in de rotor R em fictieve weerstand voor het elektromechanische vermogen R v,fe ijzerverlies X m magnetiseringsspoel Ū aangelegde statorspanning Ē geïnduceerde spanning Ī 1 statorstroomcomponent Ī 2 rotorstroomcomponent Ī 0 nullaststroomcomponent Ī v ijzerverliesstroomcomponent Ī m magnetiseringstroomcomponent g slip P el het elektrisch vermogen P v,cu,stator koperverliezen stator P v,fe ijzerverliezen P v,cu,rotor koperverliezen rotor P rotor het rotorvermogen/luchtspleetvermogen P em het elektromechanisch vermogen P me,v de mechanische verliezen P me het mechanische vermogen T em het elektromechanisch koppel Xtender naam van de omvormers AC alternating current/wisselstroom DC direct current/gelijkstroom U bat batterijspanning Pb lood PbO 2 loodoxide

13 xi H 2O water 2 SO 4 sulfaat H 2SO 4 zwavelzuur PbSO 4 loodsulfaat HSO 4- bisulfaat e - electron AGM absorbent glass matt UPS uninrruptebly power supply/ononderbreekbare voeding Ah Ampère-uur Wh Watt-uur VRLA valve regulated lead acid AHI TM Aqeous Hybrid Ion NA 2SO 4 natriumsulfaat/wit kristallijn zout P charge oplaadvermogen BSP Battery Status Processor/batterij status processor P ASM geïnjecteerd vermogen uit de asynchrone machine P nom, ASM nominaal geïnjecteerd vermogen vanuit de asynchrone generator f bus frequentie op de bus f min minimale frequentie op de bus f max maximale frequentie op de bus P verbruik actief ogenblikkelijk verbruikt vermogen SOC min ondergrens van de State Of Charge SOC max bovengrens van de State Of Charge SOC full State Of Charge van 100% SOC max_bulk SOC-waarde waarbij de bulkfase eindigt P ch_max_bulk maximum laadvermogen in de bulkfase SOC min_abs SOC-waarde waarbij de absorptiefase beëindigd P ch_min_abs minimale laadvermogen in de absorptiefase SOC max_fl SOC-waarde waarbij de floatfase start P ch_max_fl maximum laadvermogen bij floatfase SCADA Supervisory Control And Data Acquisition RS232 Radio Standard/Recommended Standard 232 Xcom-232i naam communicatiemodule RxD Receive Data TxD Transmit Data GND Ground USART Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver/ Transmitter Bps Bits per seconder LSB Least Significant Bit IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers standard PLC Programmable logic controller Ī ASM de stroom die naar de ASM vloeit Ī xtender stroom vanuit de omvormers Ī inj de actieve stroomcomponent, geïnjecteerd vermogen vanuit de ASM Ī laad de stroom die naar omvormers vloeit voor het opladen van de batterijen Ī reac de reactieve stroomcomponent RCC Remote Control Centre

14 1 1 INLEIDING 1.1 ALGEMEEN CONCEPT De decentrale productie van elektriciteit wordt meer en meer toegepast. De bekendste zijn de zonnepanelen en windturbines. In deze scriptie wordt er met een decentrale productieeenheid onder de vorm van een mini-wkk van het bedrijf E. Van Wingen N.V. gewerkt. Mini-WKK staat voor een verkleinde versie van warmtekrachtkoppeling of het gelijktijdig opwekken van zowel elektriciteit als warmte. Het bedrijf bouwde reeds een opstelling met een mini-wkk die autonoom van het openbaar net werkt. De mini-wkk beschikt over een asynchrone machine als generator die op een constant toerental aangedreven wordt door een gasverbrandingsmotor. Wanneer een asynchrone machine als generator gebruikt wordt, dan moet er reactieve energie naar de machine vloeien om een statorveld op te bouwen. Daarvoor moet er reeds een lokaal net of een microgrid aanwezig zijn om de elektriciteitsproductie tot stand te kunnen brengen. Om deze reden besliste E. Van Wingen N.V. om dit microgrid op te bouwen via omvormers die hun energie uit batterijen halen. Figuur 1: Algemeen concept In dit concept zijn er twee bijzonderheden. De eerste bijzonderheid is dat de asynchrone machine, die als generator fungeert, aangedreven wordt met een vast toerental van 1530tpm. Het geïnjecteerd vermogen zal daardoor niet geregeld kunnen worden op basis van het rotortoerental, maar door aanpassing van het statortoerental van de asynchrone machine. Het statorveld wordt namelijk opgebouwd vanuit de omvormers. De omvormers bepalen hierdoor ook de statorfrequentie als ook het statortoerental. Door aanpassing van de statorfrequentie zal ook het geïnjecteerde vermogen geregeld kunnen worden. De omvormers worden hierdoor de dominante factor en het hart van het systeem. De tweede bijzonderheid is dat de omvormers ondergedimensioneerd zijn. Daarmee wordt bedoeld dat, wanneer er geen verbruikers aangesloten zijn en het maximaal geïnjecteerd

15 vermogen vanuit de mini-wkk naar de omvormers gaat, deze omvormers dit geïnjecteerde vermogen niet aankunnen. Toch zijn het deze omvormers die het net opbouwen, frequentie van dat net bepalen en zo ook het geïnjecteerd vermogen van de asynchrone machine zullen bepalen. Een warmtekrachtkoppeling wordt bij netkoppeling gedimensioneerd op basis van de warmtevraag. Het elektrische vermogen wordt aanzien al de bijkomstige energie, waarop de terugverdientijd kan berekend worden. Door het autonome concept toe te passen zal de dimensionering aan elektrische zijde belangrijker worden en zal de warmte die geproduceerd wordt, moeten gebufferd worden. Deze scriptie houdt zich daarom enkel bezig met het elektrisch gedeelte van de mini-wkk. 1.2 DOEL VAN DE THESIS Het feit dat de omvormers ondergedimensioneerd zijn leidt reeds tot een eerste probleem. Door de onderdimensionering zal bij een te grote injectie van energie de omvormers overbelast worden. Hierdoor zullen de omvormers uitschakelen waardoor het hele systeem zijn werking verliest. Een tweede probleem is dat de regeling die de omvormers gebruikt niet optimaal is waardoor zich onnodige frequentiewisselingen in het microgrid voordoen. De verbruikers zullen afwisselend gevoed worden door de batterijen of de asynchrone machine. Hierdoor krijgen we een zeer onstabiel microgrid. In deze scriptie wordt een poging ondernomen om de regeling, die te kort schiet, te verbeteren en de daardoor ontstane problemen te elimineren, met de randvoorwaarde dat de omvormers ondergedimensioneerd zijn. 1.3 OVERZICHT VAN DE THESIS Deze scriptie begint met een voorstudie. Er wordt gestart met de duiding van het concept aangezien het concept er niet vanzelf is gekomen. Het is een resultaat van een denkproces dat EVW voerde in combinatie met de meerdere bachelorproeven [1] [2]die aan deze masterproef zijn vooraf gegaan. Daarna wordt er overgegaan op het duiden van de componenten die in de opstelling zitten. Het geheel goed begrijpen kan pas als de componenten apart bestudeerd worden. Er wordt stilgestaan bij de mini-wkk, de asynchrone machine, de omvormer en de batterijen. Wanneer het volledige concept verduidelijkt is, zal er dieper op de probleemstelling ingegaan worden. De problemen verbonden aan het concept zullen verduidelijkt en uitgewerkt worden. Als derde deel staat het gevolgde traject en denkproces om te komen tot een oplossing van de problemen. Hier vindt u de volledige uitwerking en verduidelijking van de uiteindelijke gekozen oplossing. Het vierde gedeelte van deze scriptie zal verduidelijken hoe de uiteindelijke regeling geïntegreerd kan worden in het concept. In dit deel zullen alle extra toebehoren aan bod komen die nodig zijn om de uiteindelijke regeling op te bouwen. Als voorlaatste gedeelte komen de metingen op het complete systeem. Deze metingen kunnen opgesplitst worden in twee delen. Een eerste deel van de metingen gebeurt op een testopstelling met een verlaagd vermogen. Het tweede deel van de metingen zal gebeuren op de uiteindelijke opstelling met mini-wkk bij het bedrijf EVW zelf. Om af te sluiten zal men eerst enkele conclusies trekken over het bereikte doel van deze masterproef. Als einde wordt er nog een algemeen besluit gevormd waarin nog mogelijke verbeteringen aangereikt worden. 2

16 3 2 VOORSTUDIE In de voorstudie zullen alle onderdelen die samen het microgrid vormen besproken worden. De keuze om op een autonome manier te werken wordt in dit deel ook verduidelijkt. Om uiteindelijk tot een volledig microgrid te komen, zal er stap per stap te werk gegaan worden. De voorstudie zal volgens onderstaand keuzediagram verlopen. Voorstudie Systeem Mini-WKK Asynchrone Machine Autonoom Netgekoppeld Micro-grid: Omvormer & Batterijen Figuur 2: keuzediagram voorstudie 2.1 WKK EN MINI-WKK Vermits in deze scriptie de energieopwekking door een warmtekrachtkoppeling gebeurd, zal in dit deel het principe van warmtekrachtkoppeling geduid worden, alsook de werking van een mini-warmtekrachtkoppeling WKK In onderstaande afbeelding staat links het brandstofverbruik bij het gebruik van een WKK, rechts staat het brandstofverbruik door een STEG (stoom- en gascentrale) aangevuld met een ketel. De vergelijking heeft enkele voordelen voor de opwekking van energie met de WKK. Rechts = STEG + ketel: primaire energie nodig bij het apart opwekken van elektriciteit en warmte. Links = WKK: primaire energie nodig bij het samen opwekken van elektriciteit en warmte.

17 4 Figuur 3: PEB WKK versus STEG + ketel [1] Ecologisch voordeel: o Primaire energiebesparing (PEB): Dit kan met volgende formule uitgerekend worden: PEB = α e + α Q 1 η e η Q Met: α e = procentuele aandeel elektrische energie α Q = procentuele aandeel warmte η e = rendement van de referentie voor elektriciteitsopwekking (STEG) η Q = rendement van de referentie voor warmteproductie (ketel) Er kan vastgesteld worden dat de WKK minder primaire energie nodig heeft (1) t.o.v. de STEG + ketel (1.2) om evenveel elektrische energie en warmte te kunnen genereren. o Emissieverlaging: Door het samen produceren van elektriciteit en warmte kan er een hoger rendement behaald worden. Dankzij dit principe worden fossiele brandstoffen veel zuiniger gebruikt, wat een vermindering van CO 2 en andere uitstoot oplevert. Economische overweging: Naast het ecologisch plaatje, is er ook een financiële kant aan het verhaal. Hieronder staat een opsomming van wat de kosten en de opbrengsten zouden zijn: o De kosten: Investering Onderhoud Financiële lasten Brandstof o De opbrengsten: Warmte Elektriciteit WKK-certificaten (bij netkoppeling) Met andere woorden, een installatie van een WKK moet vooraf gegaan zijn door een haalbaarheidsstudie: Analyse van energievraag Dimensionering van de installatie (technische haalbaarheid) Rentabiliteitsberekening (economische haalbaarheid)

18 5 Sensitiviteitsanalyse Mini-WKK Figuur 4: mini-wkk [2] Een mini-wkk is een relatief nieuwe methode van energieopwekking, in 2010 geïntroduceerd op de energiemarkt. Een mini-wkk produceert net zoals een gewone WKK zowel elektriciteit als warmte. Het enige verschil is dat bij een mini-wkk de vermogens eerder beperkter zijn. Hierdoor kan zowat elke KMO (bijvoorbeeld scholen, rusthuizen, zwembaden, ) gebruik maken van cogeneratie. EVW biedt een versie aan op aardgas en een versie aan op koolzaadolie. Hierbij kan er gekozen worden tussen 9 kw en 12 kw aan elektrisch vermogen. De mini-wkk, die de opstelling gebruikt, heeft een elektrisch vermogen van 12kW. Deze bestaat uit een verbrandingsmotor, asgekoppeld met een elektrische generator. De generator in deze mini-wkk is een asynchrone machine. EVW bouwt enkel mini-wkk s met een asynchrone machine. Figuur 5: onderdelen mini-wkk [3]

19 Warmterecuperatie. Ook al zal deze scriptie zich enkel bezighouden met het elektrische vraagstuk, toch is het de moeite om de manier van warmterecuperatie in de mini-wkk van dichtbij te bekijken. In de mini-wkk wordt de warmte gerecupereerd door een intern gastraject, concreet door het terugwinnen van de warmte uit de rookgassen via de demper en de rookgaskoeler. De vrijgekomen warmte kan voor verschillende configuraties gebruikt worden [3]: CV aansluiting (of warmwaterproductie): Rechtstreekse integratie in het CV circuit door aan te sluiten op de retourleiding van de bestaande installatie, eventueel ondersteund door een buffer. Luchtverwarming: Toevoeging van een optionele luchtverhitter voor ruimteverwarming is de meest eenvoudige oplossing [4]. De mini-wkk kan toegepast worden in KMO s, scholen, sauna s, supermarkten, garage, Figuur 6: Intern rookgastraject [3] Figuur 7: voorstelling warmtecircuit [3]

20 Ecologisch en economische afwegingen. De economische en ecologische afwegingen van een mini-wkk volgens EVW zelf (zonder te spreken over een autonoom net): [4] Een investering van ongeveer euro Kleinere investering Minder onderhoud Brandstof ten opzichte van de kost van elektriciteit voor een periode van 12 jaar zou een besparing van 4000 euro moeten opleveren Productie van kWhe tot kWhe per jaar Besparing mogelijk van 10 ton CO 2 bij gebruik van aardgas Bij gebruik van biobrandstof = vijfmaal meer CO 2 besparing dan bij gebruik van aardgas Primaire energiebesparing van 20% bij gebruik van aardgas 2.2 AUTONOOM VERSUS NETGEKOPPELD SYSTEEM In dit deel wordt er dieper ingegaan op de achterliggende gedachte van het concept. Met andere woorden waarom zouden bedrijven voor een autonoom systeem kiezen? Verplichtingen bij netkoppeling Stel dat er niet autonoom gewerkt wordt, dan moeten volgens Synergrid (de federatie van de netbeheerders en aardgas) de koppeling op het openbaar net voldoen aan de technische voorschriften C10/11. Dit zijn de specifieke technische aansluitingsvoorschriften voor gedecentraliseerde productie-installaties die in parallel werken met het distributienet. [5] Een greep uit de bijzonderste voorschriften die moeten voldaan worden: [6] De vermogentransit en -variaties: De producent mag niet meer vermogen plaatsen dan het net aankan. Verder moet men ervoor zorgen dat, bij een plotse vermogensvariatie van de installatie, de netspanning met niet meer dan 3% beïnvloed wordt. Aansluitwijze: Voor de in dit document besproken opstelling moet de producent verplicht over meerdere fasen aangesloten worden (vermogen is hoger dan 5kVA). Daarnaast moet ook de richting van het draaiveld correct zijn, dit is belangrijk om de juiste fasevolgorde te bekomen (direct of indirect werkend). Ook mag een eventuele nulgeleider niet geaard worden, tenzij deze via een transformator galvanisch gescheiden wordt van het openbare distributienet. Bijdrage tot kortsluitvermogen: Het kortsluitvermogen van de decentrale producent, samen met die van het net,mag niet resulteren in een te hoog vermogen dat materiaal in het net zou kunnen beschadigen. Daarom mag in de situatie van dit project deze waarde niet hoger liggen dan 500% van het nominaal schijnbaar vermogen. Arbeidsfactor: De installatie moet een arbeidsfactor hebben van meer dan 0,95. Per definitie zal zo het reactieve vermogen-aandeel niet te groot worden. Bij zeer grote installaties (meer dan 1MVA) moet de installatie in staat zijn om deze factor te variëren naargelang de vraag van het net. Hier is dit echter niet van toepassing.

21 8 Frequentieregeling: Omdat het net een constante frequentie van 50 Hz heeft, moet elke decentrale productie-installatie in staat zijn om te werken op een frequentieband tussen 49 en 51 Hz en daarbij ook om minstens een half uur te kunnen werken tussen 47,5 en 51,5 Hz. Dit is vereist opdat de netbeheerder een zekere marge zou hebben, zodat de starre 50 Hz frequentie op het net kan behouden worden. Communicatie: Elke installatie moet uitgerust zijn met een communicatiemodule waarbij volgende zaken geleverd worden: de spanningen en stromen op alle fasen, de ogenblikkelijke meting van de vermogens (actief en reactief) in de 4 kwadranten, een mogelijkheid om outputsignalen of -contacten te wijzigen op het toestel en een communicatiepoort om met de installaties van de distributie-netbeheerder te kunnen communiceren. Scheidingssystemen en beveiligingen: Het systeem moet voorzien zijn van een vergrendelbare veiligheidsonderbreking die op ieder moment toegankelijk moet zijn voor de netbeheerder. De scheider of beveiliging moet volgende zaken kunnen verwezenlijken: automatisch afschakelen bij interne fout, zo snel mogelijk ontkoppelen bij wegvallen van de spanning aan de kant van de producent, synchrocheck, waarbij enkel op het juiste moment parallel met het net mag geschakeld worden, beveiligen tegen gelijkstroominjectie en automatisch uitschakelen als er stroom onttrokken wordt in plaats van geïnjecteerd. En dit is nog niet alles, want er is nog een procedure nodig vooraleer de industriële indienstname kan gebeuren voor een installatie met een vermogen groter dan 10kVA: [6] Eerst moet er een schriftelijke aanvraag bij de distributienetbeheerder ingediend worden om toelating tot parallelwerking op het openbaarnet te verkrijgen. Vóór de aansluiting op het net moet de decentrale productie-installatie, op kosten van zijn beheerder, worden onderworpen aan een gelijkvormigheidsonderzoek. De decentrale productie-installatie wordt dan onderworpen aan gelijkvormigheidsonderzoeken van de conformiteit met het algemeen reglement voor elektrische installaties (AREI) door een erkend organisme, alsook een onderzoek van de conformiteit met de aansluitingsvoorschriften van de netbeheerder Gevolgen voorschriften. Het installeren van een decentrale productie eenheid, zoals een mini-wkk, kan niet van de ene dag op de andere. Daar bovenop kunnen de extra kosten dan ook oplopen van 10% tot 20% van de installatiekostprijs van de mini-wkk. De verplichte gelijkvormigheidsonderzoeken, die nodig zijn bij decentrale productie met een vermogen kleiner dan 100kVA bij de distributienetbeheerder en het conformiteitsonderzoek in verband met het AREI, kosten ongeveer zo n 1800 euro. Is het zinvol om deze kosten maken met het risico dat er geen in koppeling mogelijk is?

22 9 Zeker is de extra kost bij de toelating van de netkoppeling. Bij toelating om op het openbaar net in te koppelen, moet er verplicht gebruikt gemaakt worden van een netontkoppelingsrelais. Dit relais controleert de stabiliteit van de geïnjecteerde grootheden in het net en koppelt de eenheid van het net af indien niet meer aan de parameters van de netbeheerder wordt voldaan. [7] Dit kan tot ongeveer 2000 kosten en moet conform de voorschriften van Synergrid zijn. De instelling moet via een officieel keurorganisme gebeuren (bvb. Vinçotte). Dit kan tot 500 kosten en daarna wordt de instelling verzegeld de distributienetbeheerder. Figuur 8: ontkoppelingsrelais XU2-AC [4] Besluit keuze. De keuze voor een autonoom systeem is er één voor zekerheid en flexibiliteit. Het is niet zeker dat een netkoppeling kan plaatsvinden. En als deze kan plaatsvinden, dan is er een groot tijdsverschil tussen het moment dat de beslissing genomen wordt om een mini-wkk te plaatsen en de effectieve ingebruikname ervan. Dit door de vele vereisten die met een netkoppeling gepaard gaan. Bij een autonoom net is er geen afhankelijkheid van de strenge eisen waaraan moet worden voldaan als een netkoppeling mogelijk is, dit leidt tot meer flexibiliteit van het systeem. Ook is er onafhankelijkheid op vlak van elektriciteitsprijzen, netvergoedingen, Een samenvatting van alle verplichtingen en keuzes vindt u in onderstaande figuur.

23 Samenvatting wettelijke procedures Figuur 9: Wettelijke procedures voor installeren mini-wkk

24 ASYNCHRONE VERSUS SYNCHRONE MACHINE De keuze tussen een asynchrone machine of een synchrone machine in autonoom bedrijf heeft consequenties voor de elektrische installatie van de opstelling. De mini-wkk van het bedrijf EVW wordt steeds uitgerust met een asynchrone machine. Toch is het nodig om de werking van een synchrone machine te bekijken om zo een beter beeld te vormen van de manieren waarop elektriciteit geproduceerd kan worden Synchrone machine De synchrone machine wordt het meest gebruikt als generator bij elektrische centrales Principe Het werkingsprincipe van een synchrone machine berust op het feit dat de polen van de rotor met gelijkstroom bekrachtigd worden, met als gevolg dat de rotor synchroon meedraait met het statorveld. Daardoor is er een constante verhouding tussen de rotorsnelheid en de netfrequentie. Die verhouding wordt bepaald door het aantal polen van de machine. Uitgedrukt in de formule van Ferraris wordt dit: f = n r p. Waarbij: f= netfrequentie n r = rotortoerental p = aantal poolparen De synchrone generator zal dus een snelheid aanhouden die onafhankelijk is van de belasting, terwijl de frequentie van de alternatorspanning bepaald wordt door de snelheid van de aandrijving Spanningsproductie. Om energie op te wekken bij synchrone generator is er een relatieve beweging nodig van geleiders tegenover een magneetveld. Dit kan op twee manieren: Mogelijkheid 1: Het statorveld staat stil en de geleiders/anker draait rond Buitenpooltype d φ ε ind = dt Figuur 10: principe buitenpooltype [7]

25 Mogelijkheid 2: Het statorveld draait rond en de geleiders/anker staan stil Binnenpooltype ε ind = (v B )dl 12 Figuur 11: principe binnenpooltype [8] Het binnenpooltype zal het meest gebruikt worden aangezien het enkele voordelen biedt: Een groot toerental door een stevige constructie: Bij draaiende polen telt enkel het aantal ampère-windingen (=I*N), m.a.w. bij een klein aantal windingen met een grote doorsnede, waardoor een gelijkstroom vloeit met een grote intensiteit en waarover slechts een geringe spanning staat. Slechts twee sleepringen nodig, enkel voor de bekrachtiging van de rotor, wat slechts een gering vermogen heeft Stator De constructie van de stator is dezelfde als die van een inductiemachine. De stator is opgebouwd uit blikpakket met de bedoeling de ijzerverliezen te minimaliseren. Elke fasewikkeling is over meerdere gleuven verbreed om tot een volledige belegging van de binnenmantel van de stator te komen. De statorwikkeling wordt aan de hand van een gleufdiagram ontworpen Rotor Als er naar het binnenpooltye gekeken wordt, zijn er twee types in bouw: turbo alternator en de vliegwiel alternator. Deze houden rekening met de spanningsformule: E = ~ N. B. l v Met: N = het aantal actieve geleiders in serie per fase; B = de magnetische inductie gerealiseerd door de rotor; L = de actieve lengte van de statorgeleiders; v = de omtreksnelheid v = ω r. r a

26 13 Figuur 12: vliegwiel alternator [9] Figuur 13: turbo alternator [10] Besluit Om energie op te wekken met een synchrone generator is er een relatieve beweging nodig van geleiders tegenover een magneetveld. Dit kan op twee manieren, ofwel een stilstaand veld met draaiende geleiders, ofwel een draaiveld en vaste geleiders. De rotor wordt met gelijkstroom bekrachtigd. Als dit bijvoorbeeld via een permanente magneet gebeurt, dan kan deze zonder problemen in eilandbedrijf opstarten Asynchrone machine Bouw Een asynchrone machine bestaat uit een stator die samengesteld is uit een gelamelleerde elektromagnetische keten van Si-staal. Er zijn gleuven voorzien, waarin de driefasen statorwikkelingen zijn aangebracht. Het statorhuis is meestal voorzien van koelribben. Voor de opbouw van de rotor zijn er twee mogelijkheden: [11]

27 14 kooirotor, met kortsluitringen: Figuur 14: Asynchrone machine met kooirotor [11] Bewikkelde rotor, met sleepringen en borstels die door regelbare weerstanden kortgesloten worden. Figuur 15: Asynchrone machine met bewikkelde rotor [11] Van beide types zal de asynchrone machine met kooirotor heet meeste gebruikt worden aangezien deze eenvoudig in constructie, robuust en goedkoop is. Een nadeel ervan is dat de aanloopstroom groter zal zijn Principe motorwerking Om de generatorwerking goed te begrijpen wordt gestart met de motorwerking. Uit de motorwerking zal er verder opgebouwd worden tot de generatorwerking. Als de statorwikkeling een driefasen netvoeding krijgt, ontstaat er in de stator een elektromagnetisch draaiveld. De krachtlijnen van dit veld snijden de rotorgeleiders, waardoor in die geleiders spanningen geïnduceerd worden. De rotor van een asynchrone machine is kortgesloten waardoor de stromen kunnen vloeien. Die inductiestromen ondervinden lorentzkrachten. Hierdoor ontstaat er een draaikoppel.

28 Mocht de rotor even snel draaien als het statorveld, dan zouden de rotorgeleiders niet meer door de statorflux gesneden worden. Anders gezegd zal er altijd een slip nodig zijn om inductiestromen te bekomen. [11] Theoretische nullast werking Het equivalent schema van een asynchrone machine wordt als volgt getekend: R 2 /g Ī 1 R 1 X s1 Ī 2 X s2 R 2 15 Ī 0 Ī v Ī m Ū R vfe Ē X m R 2 *(1-g)/g Figuur 16: equivalent schema asynchrone machine Waarbij: R 1: koper verliezen in de stator; X s1: lekreactantie stator X s2: lekreactantie rotor R 2: koper verliezen in de rotor; (1 g) R 2 g = R em: fictieve weerstand voor het elektromechanische vermogen; R v,fe: ijzerverlies; X m: magnetiseringsspoel Ū: aangelegde statorspanning, legt draaiveld vast; Ē: geïnduceerde spanning; Ī 1: statorstroomcomponent; Ī 2: rotorstroomcomponent; Ī 0: nullaststroomcomponent; Ī v: ijzerverliesstroomcomponent; Ī m: magnetiseringstroomcomponent In nullast zal de stroom Ī 2 nul zijn want de slip g gelijk zijn aan nul. Dit betekent dat de equivalente weerstand R 2 = wat overeenstemt met een open secundaire keten. Het g gevolg daarvan is dat er geen rotorvermogen (of luchtspleetvermogen) zal ontstaan. Dus de stroom die vloeit is de stroom die nodig is om de eigen ijzerverliezen te overwinnen en de stroom die nodig is om het magnetisch veld op te bouwen. In dit geval is Ī 1= Ī 0. (Praktisch zal de equivalente weerstand niet oneindig groot zijn waardoor er toch een heel kleine stroom zal vloeien aan rotor zijde.) Uit het vectordiagram volgt dat de aangelegde spanning groter is ten opzichte van de tegen-emk langs statorzijde Dit komt door de koperverliezen en de ijzerverliezen in de stator. [11] Het vectordiagram van de nullastwerking staat gegeven in onderstaande figuur.

29 16 Figuur 17: vectordiagram bij nullast Opmerking in verband met de vectordiagrammen, deze zijn getekend aan de hand van het vereenvoudigd equivalent schema (zie 2.5). Met andere woorden, zijn de componenten aan statorzijde overgebracht naar rotor zijde en staat dus de aangelegde spanning Ū in parallel met de geïnduceerde spanning Ē Belaste motor R 2 /g R 1 X s1 X R Ī s2 2 1 Ī 2 P me Ī 0 Ū R vfe Ī v Ē Ī m X m P em P v,me R 2 *(1-g)/g P v,cu,stator P v,fe P v,cu,rotor P el P em P rotor Figuur 18: vereenvoudigd equivalent schema + verdeling actief vermogen motor werking

30 17 Aan de hand van het equivalent schema wordt de vermogen stroom in kaart gebracht. Hierbij zijn: P el: het aangelegde elektrisch vermogen; P v,cu,stator: koperverliezen stator; P v,fe: ijzerverliezen; P v,cu,rotor: koperverliezen rotor; P rotor: het rotorvermogen/luchtspleetvermogen; P em: het elektromechanisch vermogen; P me,v: de mechanische verliezen; P me: het mechanische afgeleverde vermogen. Het vectordiagram bij belaste motorwerking zal er dan als volgt uit zien: Figuur 19: vectordiagram bij belasting De nullaststroom Ī 0 is de stroom die in de rotor voor de geïnduceerde spanning zal zorgen. Deze is in het bovenstaande vectordiagram kwadratuur geschetst ten op zichte van de geïnduceerde spanning Ē, in werkelijkheid is de faseverschuiving kleiner dan 90. De rotor heeft een zekere weerstand waarin de rotorstroom Ī 2 geïnduceerd wordt. In het bovenstaand vectordiagram is dit overdreven geschetst, maar in werkelijkheid liggen de spanning Ē en de stroom Ī 2, meer in fase aangezien de lekreactantie afhankelijk is van de frequentie. In belaste toestand zal deze dan ook kleiner zijn. De statorstroom is nu vectorieel samengesteld uit de nullaststroom en de rotorstroom. De nullaststroom zal even groot blijven onafhankelijk van de belasting. De stromen Ī 2 en Ī 1 zijn echter wel belastingsafhankelijk. Dit heeft tot gevolg dat de spanningsverliezen stijgen wanneer de stroom stijgt.

31 Principe generatorwerking Generator werking bij een asynchrone machine wordt bekomen als er oversynchroon (nr>ns) gedraaid wordt. Vermits de slip g als volgt wordt berekend: g = n s n r zal de slip n s negatief worden. Doordat nu de energiestroom omgekeerd vloeit, zullen de stromen die belastingsafhankelijk zijn ook om draaien van zin. [12] R 2 /g I R 1 X s1 1 I 2 X s2 R 2 P me,nom I 0 Ū R vfe I v Ē I m X m P em,nom P v,me,nom R 2 *(1-g)/g P v,cu,stator P v,fe P v,cu,rotor P el P em Q P rotor Figuur 20: equivalent schema + verdeling actief vermogen generatorwerking4 Het mechanisch vermogen is nu het toegevoerd vermogen. Hierdoor zal in het vectordiagram de rotorstroom Ī 2 in tegenfase zijn met de spanning E. Dit heeft als gevolg dat de stroom Ī 1 samengesteld zal worden uit Ī 0 en Ī 2. Figuur 21: vectordiagram generatorwerking

32 19 Zoals gebleken uit het equivalent schema zal de asynchrone machine een zeker reactief vermogen moeten opnemen. Dit is nodig om het statorveld te kunnen opbouwen. Beter gezegd wanneer een asynchrone machine aan het net gekoppeld is, zal het net reactief vermogen moeten leveren aan het net om zo het statorveld op te kunnen bouwen. Enkel wanneer de asynchrone machine een statorveld heeft opgebouwd zal er actief vermogen kunnen geleverd worden aan het net Koppel-slip karakteristiek Voor het bepalen van deze karakteristiek wordt het benaderd vervangschema genomen. jx sk R 1+ k²(r 2+ R 2v ) ῑ 1 ῑ 1 n r ῑ v,fe ῑ m T em Ū R vfe jx m Ē 1 [k²(r 2 +R 2v )(1-g)]/g Figuur 22: Vereenvoudigd equivalentschema asynchrone machine Met behulp van het elektromechanisch vermogen P em kan het koppel in functie van de slip gevonden worden. [13] Met de omrekening uit het rotor- of luchtspleetvermogen: T em = P em ω r = P rotor = 3 k2 (R 2 R 2v ) I 2 1 ω s g ω s Indien de lastcomponent uit de statorstroom wordt ingevuld en de synchrone snelheid omgerekend wordt naar de netfrequentie, wordt de formule: T em (g) = 3 ( p 2πf ) k 2 (R 2 R 2v ) 2 U 1 g [X 2 sk + (R 1 + k2 2 (R 2 R 2v ) ) ] g De bovenstaande uitdrukking geeft weer wat de invloed is van het wijzigen van de netspanning en de netfrequentie. Bij grotere machines (groter dan 10kW, bij ons 12kW) mag R 1 verwaarloosd worden t.o.v. de lekreactantie X sk en wordt de formule als volgt: T em (g) 3 ( p 2πf ) k 2 (R 2 R 2v ) 2 U 1 g [X 2 sk + ( k2 2 (R 2 R 2v ) ) ] g Veronderstel nu dat de voorschakelweerstand R 2v = 0, dan kunnen, door de limiet van de slip te nemen, de benaderingen als volgt gevonden worden: I 2 1

33 20 De asymptotische benadering voor grote waarden van de slip: lim T em(g) 3 ( p g 2πf ) k2 2 R 2 U 1 2 ~ 1 g X sk g De eerste orde-benadering voor kleine waarden van de slip: lim T em(g) 3 ( p g 0 2πf ) U 1 2 g k 2 ~g R 2 shuntkarakteristiek Deze lineaire benadering noemt men de shuntkarakteristiek van de inductiemotor omdat deze overeenstemt met het verloop van de karakteristiek van een shuntmotor shuntbenadering Figuur 23:koppel-slip karakteristiek [13] Het rendement van de ASM als generator Dit stuk is in grootte mate gebaseerd op bron [2], deze bron baseerde zich op haar beurt op onderzoek verricht aan de KU Leuven. Het rendement bepalen met de input-ouput methode, waarbij alle verliezen door metingen van spanningen, stromen, vermogens, koppel en snelheid in kaart gebracht worden, eist een nauwkeurige koppelmeting. Dit is tijdrovend, maar levert een hoge betrouwbaarheid op. Het rendement van de asynchrone machine in motorwerking is het mechanische geleverd vermogen aan de as, ten opzichte van het toegevoegd elektrisch vermogen. Bij de asynchrone machine als generator is het rendement de verhouding van het elektrische geleverd vermogen, ten opzichte van de mechanische toegevoegde vermogen.

34 Verschil in rendement motor en generator Er zijn echter verschillen tussen het rendement bij motor- en generatorwerking. Zo zijn de koperverliezen in de stator- en rotorwikkelingen verschillend. Bij motorwerking moet het net het vermogen leveren voor zowel de koperverliezen in de stator (P v,cu,stator) en de rotor (P v,,cu,rotor), alsook de stroomcomponent (Ī v.fe) voor de ijzerverliezen (P v,fe) te compenseren. In generator bedrijf moet de mechanische aandrijving instaan voor het compenseren van de koperverliezen, terwijl het net nog altijd moet in staan voor het leveren van het reactieve vermogen om h zo het statordraaiveld op te bouwen. Als de belasting toeneemt bij motorwerking en dus de statorstroom stijgt, stijgt ook de spanningsval over de koperverliezen. Hierdoor verkleint de EMK, de magnetiseringsstroom en het ijzerverlies. (Als er rekening gehouden wordt met het gewone equivalente schema en niet het vereenvoudigde.) Bij generatorwerking met constante spanningsamplitude zal, als de belasting toeneemt, de statorstroom een stijging van de spanning over de koperverliezen te weeg brengen. De EMK zal moeten toenemen om de constante spanningsamplitude van het aangelegde net te kunnen volgen. Hierdoor stijgt de magnetisatiestroom en ijzerverliezen. Anders gezegd, wanneer het elektrische vermogen constant blijft, dan is het verlies in de stator bij generatorwerking groter ten opzichte van motorwerking. Dit omdat bij de generator de statorstroom een grotere reactieve component bevat door de toegenomen magnetisatiestroom. Ook lijken de rotorverliezen groter Rendement bij lagere vermogens Uit het gevoerde onderzoek worden in onderstaande grafieken enkele meetresultaten weergegeven. Figuur 24: Rendement volgens IEEE 112-B met gelijke statorstroom in beide werkingsmodes [34]

35 Bovenstaande grafieken geven aan dat niet altijd het rendement van de generatorwerking lager is, maar in het algemeen is dit wel het geval. De asynchrone machines met grotere vermogens hebben meestal een kleinere statorweerstand en vertonen een generatorrendement dat tot 1% hoger kan zijn dan het motorrendement. Dus de bovenste karakteristieken zijn deze van de grotere vermogens. Helaas staat er niet bij gespecifieerd wat men als groot vermogen beschouwd. Des al niet te min kan hier nagegaan worden bij welke vermogensinjectie het rendement nog aanvaardbaar is. Vermits de per unit waarde als volgt omschreven wordt: Voor de statorstroom toegepast: per unit waarde = effectieve waarde basiswaarde I stator [p. u. ] = effectieve waarde I stator basiswaarde I stator Wanneer de statorstroom daalt omwille van de kleiner aangelegde belasting, zal daardoor de per unit waarde ook dalen. Er wordt vanuit gegaan dat 1p.u. overeenstemt met de nominale stroom alsook het nominaal geleverd vermogen. Bij de derde asynchrone machine in generatorwerking (bij η(i stator)) is bij een I stator = 1p.u. het rendement ongeveer 78%-79%. Dit rendement wordt tot I stator = 0.8p.u. behouden. Tot ongeveer I stator =0.7p.u. blijft het rendement 75%-76%. We zien dus dat zolang het verbruik groter is dan 70% van de nominale stroom, het rendement groter zal zijn dan 70%. Wordt er naar de tweede ASM in generatorwerking gekeken (bij η(i stator)) dan is bij I stator = 1p.u. het rendement net geen 85%. Tot bij I stator = 0.7p.u. blijft het rendement boven 80%, na dit punt daalt het rendement heel snel. We kunnen besluiten dat, wanneer er dus naar de karakteristiek van het rendement in functie van de statorstroom gekeken wordt, kan opgemerkt worden dat bij kleinere vermogens het rendement aanvaardbaar blijft tot 0.7 maal de nominale statorstroom. Wanneer het verbruik lager zal zijn, zal het rendement zeer snel dalen Besluit Uiteindelijk lag de keuze voor de asynchrone machine al vast, omdat EVW enkel mini- WKK s uitrust met asynchrone machines. De keuze om te werken met een asynchrone machine komt voornamelijk uit de voordelen die de asynchrone machine biedt, namelijk goedkoper en onderhoudsvriendelijker dan een synchrone machine. Een mogelijk nadeel zou het rendement kunnen zijn, want de asynchrone machine heeft een iets lager rendement. Bij lagere vermogens (<200kW) weegt dit nadeel niet op t.o.v. de voordelen. [14] Een echt nadeel is dat een asynchrone machine in generatorwerking reactief vermogen moet kunnen opnemen. Dit heeft gevolgen voor de opstelling. Om autonoom te kunnen werken moet er reeds een net aanwezig zijn: een microgrid. 22

36 MICROGRID Om de mini-wkk via een asynchrone machine energie te laten leveren moet de asynchrone machine aan een net gekoppeld zijn. Aangezien in dit systeem autonoom gewerkt wordt, zal er een microgrid moeten opgebouwd worden die reactieve energie kan leveren aan de asynchrone machine. Het microgrid zal dus een net moeten opbouwen waarop energie kan geïnjecteerd worden. In dit systeem gebeurt dit via batterijen en 3 omvormers, elk één per fase De omvormer De omvormers die aangesloten worden in de opstelling, moeten in staat zijn om een driefasig net op te bouwen met energie vanuit de batterijen. Er werd voor de hybrideomvormer van het merk Studer gekozen van het type Xtender. Hybride slaat op het kunnen opladen van batterijen en de wisselrichter functie. De keuze om te werken met dit type omvormers werd voor de aanvang van deze masterproef gemaakt door EVW. Daarom zal, die keuze uit het verleden, onder de loep genomen worden De keuze van de omvormer De voornaamste reden om te werken met dit type omvormers was de grote flexibiliteit van het merk Studer en de meerdere mogelijkheden. Figuur 25: Studer Xtender XTM [15] Bij de Xtender Series kan er gekozen worden tussen verschillende spanningsniveaus aan DC-zijde. In dit systeem wordt gekozen om te werken met de grootst mogelijke spanning, namelijk 48 V DC. De stromen zullen hierdoor het kleinst mogelijk zijn bij éénzelfde vermogen. De keuze van het gewenste vermogen werd genomen op basis van het te leveren vermogen van de mini-wkk. In dit geval zal de mini-wkk 12 kw produceren ofwel 4kW per fase.

37 24 Niet enkel het geproduceerd vermogen is van belang om te bepalen wat het gewenste vermogen is van de omvormers. Er moet ook rekening gehouden worden met volgende punten: De opstartstroom die 4 tot 6 maal de nominale stroom kan bedragen. Het ineenzakken van de batterijspanning bij opstarten van de generator ( voltage drop ). De voltage drop, als gevolg van de opstartstroom, moet zeker in acht worden genomen. Stel bij bijna volledig ontladen batterijen dat de generator wil heropstarten, dan zal er niet genoeg energie in de batterijen beschikbaar zijn waardoor de spanning van de batterij zal dalen. Het undervoltage level van de omvormer zal bereikt worden waardoor de omvormer beschermend zal optreden voor de batterijen en de ontlading stopzetten. De uitschakeling gebeurt ook ter bescherming van de omvormer zelf, want deze heeft minimum 36V nodig om te kunnen werken. Het gevolg hiervan is dat de generator niet meer kan opstarten. [1] Inzake de opstartstroom, kan er gekozen worden voor een omvormer die voldoende groot gedimensioneerd wordt. Bij de opstart zal er een reactief vermogen getrokken worden van 15kW 1.5 = 7,5 kvar. Hierbij wordt het nominale vermogen van de asynchrone machine 3 gedeeld door 3 zodanig het enkelfasig reactief vermogen bekomen wordt. De factor 1,5 wordt toegevoegd zodanig dat er voor een groot genoeg reactief vermogen kan gekozen worden bij opstart. Uiteindelijk werd er niet gekozen voor het type XTH Deze omvormer levert 5 kva in nominale toestand en kan 5 seconden 15 kva leveren bij een DC-spanning van 48V. Er werd echter voor het kleinere type XTM gekozen. Deze omvormer kan 3,5 kva leveren in nominale toestand en 10,5 kva gedurende 5 seconden. Er werd dus gekozen voor een ondergedimensioneerde omvormer. [1] De onderdimensionering werd gekozen met het idee dat er ten allen tijden verbruikers zouden aangesloten zijn op het microgrid. Het geproduceerde vermogen zal daardoor slechts gedeeltelijk doorheen de omvormers gaan. Een vermogen van 3.5kVA zal daardoor slechts zelden bereikt worden. Indien dit toch het geval zou zijn, kan er volgens de datasheets tot 30 minuten een vermogen van 4kVA door de omvormers vloeien zonder problemen. [1] De opstartstroom zal door de onderdimensionering moeten gereduceerd worden. Dit kan via een softstarter die de opstartstroom tot 1,5 maal de nominale stroom zal beperken (de 1,5 component in de formule hierboven). Er moet opgemerkt worden dat de omvormers zelf over een softstartfunctie beschikken (parameter 1599). Echter kan deze softstartfunctie de hoge inschakelstroom niet aan. De startstroom is groter dan de maximale stroom van de wisselrichters, waardoor de omvormer er uit gaat op overbelasting. Daarom werd er overgeschakeld naar een externe softstarter die de hoge inschakelstroom zal begrenzen, zodanig dat de maximale stroom van de omvormers niet bereikt wordt. Door de onderdimensionering zal de laadstroom naar de batterijen ook beperkt worden tot maximaal 50A dc per omvormer of 150 A DC voor het hele systeem. Wanneer er een groot vermogen geleverd wordt naar de omvormers zal de laadstroom de beperkende factor zijn waardoor de omvormers zullen uitschakelen door overbelasting. [1]

38 Mogelijkheden als oplader Vermits de oplader vooral dient om lood-zuur batterijen op te laden, wordt hier eerst uitgelegd hoe dit type batterij wordt opgeladen. [17] Opladen van lood-zuur batterijen Lood-zuur batterijen moeten in drie fasen opgeladen worden als volgt: 1. De bulk-charge = Opladen met een constante stroom tot de batterijspanning een bovengrens heeft bereikt. 2. De absorption-charge = Opladen met de constante spanning die in de vorige fase bereikt werd gedurende een vooraf bepaalde tijd. 3. De float-charge = Opladen met een verlaagde constante spanning. De bulkfase neemt ongeveer de helft van de laadtijd in beslag, daarna zal er overgegaan worden naar de absorptie-fase. In deze fase zal de laadstroom dalen totdat het saturatiepunt bereikt wordt. De floating-fase zou enkel de zelfontladingsverliezen moeten compenseren. Bulk Absoroption Float Figuur 26: de 3 fasen van opladen. [19] De omschakeling van de eerste naar de tweede fase gebeurt wanneer de batterijspanning de maximale spanning heeft bereikt. De stroom begint te dalen wanneer de batterij begint te satureren. Volledig opladen wordt bereikt wanneer de stroom daalt tot 3-5% van de capaciteit (Ah) van de batterij Mogelijkheden van de omvormer De omvormer zelf kan als batterijlader werken waarbij er enkele parameters ingesteld kunnen worden. Eerst kunnen de gewenste laadcycli ingesteld worden. De bulk- en floatfase van de omvormers kunnen niet uitgeschakeld worden. Zo is er een minimum batterijcyclus aanwezig zoals te zien is in onderstaande figuren.

39 26 Figuur 27: minimale oplaadcyclus [18] Figuur 28: minimale oplaadcyclus Ubat(t) [18] Deze minimale laadcyclus komt in praktijk weinig voor. Echter bij de geteste batterijen is dit wel nodig geweest. Dit zal in volgend deel verduidelijkt worden. De gevolgde laadcyclus bij lood-zuur batterijen staat verduidelijkt in onderstaande figuren. De omvormer zal ook hier rekening houden met de maximale batterijspanning en de verschillende fasen in de cyclus. Afhankelijk van de ingestelde parameters zullen de omvormers de gewenste laadcyclus volgen.

40 27 Figuur 29: standaard oplaadcyclus [18] Figuur 30: Standaard oplaadcurve Ubat(t) [18] De volgende parameters zijn nodig voor instellen van een standaard oplaadcurve zoals te zien is in bovenstaande figuur: 1125: het opladen toestaan 1138: de oplaadstroom (voor de bulk fase) 1155: de absorption fase toelaten 1156: de absorption spanning instelling 1157: de tijdslimiet voor de absorption fase 1158: of de absorption fase laten stoppen als de stroom tot onder een bepaalde waarde is gezakt 1140: de floatspanning

41 28 Er zijn ook tal van beveiligingen en correcties voorzien, onder andere volgende parameters: 1108: onderspanningslimiet zonder te belasten; 1531: dynamische compensatie batterij-onderspanningslimiet; o 1191: dynamische batterij-onderspanningscompensatie Als deze parameter uit staat, dan wordt verondersteld dat de spanning zonder connectie identiek is onafhankelijk hoeveel er opgeladen wordt; 1121: batterij-overspanningslimiet; De batterij Batterijen zullen in de toekomst meer en meer relevant worden op vlak van energieproductie. De markt is zich nog volop aan het ontwikkelen en bedrijven willen van batterijen een component maken die in de energievoorziening niet meer is weg te denken. Dankzij de groeiende markt van hernieuwbare energie, is het nodig om gebruik te maken van batterijen zodanig dat energie gebufferd kan worden. Ook in deze masterproef is er nood om energie te bufferen. De batterijen worden niet enkel gebruikt als buffer maar zijn in dit systeem ook noodzakelijk om samen met de omvormers een wisselspanningsnet te kunnen opbouwen (zoals eerder besproken). In dit deel zullen 2 types batterijen besproken worden, namelijk de lood-zuur batterij en de Aquion batterij. De lood-zuur batterijen worden besproken aangezien deze in de opstelling bij EVW gebruikt worden. De Aquion batterijen worden besproken omdat deze gebruikt zijn in de testfase op een geschaalde testopstelling. Mogelijk zou deze ook achteraf aangeschaft worden door EVW. Het andere op de markt veel voorkomend type lithium-ion wordt hier niet besproken, deze kan u vinden in bijlage Basiseigenschappen Om batterijen te kunnen bespreken en begrijpen moeten er eerst een aantal basiseigenschappen gekend zijn. Batterijen hebben specifieke eigenschappen en in onderstaande lijst [1, 23] worden deze uitééngezet: Energiedichtheid: De energie die een batterij kan leveren en opslaan per volume- of gewichtseenheid. Dit is een minder belangrijke factor wanneer er niet moet gekeken worden hoeveel plaats en gewicht de batterijen innemen. Er wordt een onderscheidt gemaakt als volgt: o Specifieke energie: Wh/kg o Energie densiteit: Wh/l Het maximaal vermogen/specifiek vermogen (watt): Geeft een indicatie van de hoeveelheid vermogen de batterij maximaal kan leveren. Batterijen voor vermogensapparaten hebben een hoog specifiek vermogen, een gemiddeld specifieke energie en een lage interne weerstand. Capaciteit (wattuur (Wh) of ampère-uur (Ah)): Hoeveel energie kan er in de batterij opgeslagen worden? Deze grootheid wordt meestal in Ah uitgedrukt en duidt aan hoeveel stroom binnen een tijdspanne kan vloeien. In Europa wordt de C20-norm gebruikt om de capaciteit aan te duiden. Met C20 worden de omstandigheden, zoals de temperatuur en de manier van ontladen, bedoelt die vastgelegd zijn in de C20-norm [19] Een 12V-batterij zal volgens de norm in 20 uur ontladen bij een temperatuur van 25 C tot een batterijspanning van 10.5V. Het ontladen gebeurt met een ontlaadstroom die 1/20 ste bedraagt van de totale capaciteit. Als voorbeeld nemen we een 12V-batterij met een capaciteit van

42 29 80Ah. Deze zal dus gedurende 20 uur een stroom van 4A kunnen leveren. De tijdspanne, nodig om een volledig opgeladen batterij te kunnen ontladen, is de normtijd. De nominale laadstroom: Dit is de nominale stroom waarmee de batterijen op- of ontladen kunnen worden. Wanneer er een plotselinge piek in het verbruik zit, kan de batterij deze piek dan aan of wanneer er een piek in de laadstroom komt, zal er dan energie verloren gaan? De nominale laadstroom wordt meestal uitgedrukt volgens de C-rating. Hierbij betekent 1C = 1,000mAh (de batterij levert 1,000mAh gedurende 60 min.), dus dezelfde batterij zou bij 0.5C, 2u een ontlading van 500mA hebben. [20] Het cyclus rendement: Een batterij zal maar een bepaald aantal cycli kunnen meegaan. Afhankelijk van het type batterij en de kwaliteit zal het cyclus rendement groter zijn. Eén laad- en ontlaadcyclus stemt overeen met het ontladen van de accu tot 0% capaciteit en het hierna weer laden tot 100%. Het twee keer ontladen tot 50% en weer laden zal ook aanzien worden als één cyclus. [21] De kostprijs: Naast de totale kostprijs, moet er ook gekeken worden naar de kostprijs per Wh aan capaciteit en de kostprijs per Wh per cyclus. Deze laatste is belangrijk om te bepalen hoe rendabel bepaalde types batterijen zijn De Lood-zuur batterij Algemeen Dit stuk is voor een groot deel gebaseerd op de bron [23]. Lood-zuur batterij was de eerste herlaadbare batterij die gecommercialiseerd werd (en in 1859 al uitgevonden). Dit type is populair geworden wegens zijn betrouwbaarheid en de lage kostprijs per watt. Er zijn bijna geen batterij-types die evenveel bulkvermogen, aan zo een lage kostprijs, kunnen bieden. De kost-efficiëntie van lood-zuur batterijen zal dus zeer hoog zijn. Dit type batterijen zal daarom ook veelvoudig gebruikt worden in verschillende sectoren en toepassingen zoals de automobielsector, UPS systemen, Samenstelling [23]De elektroden zijn vlakke platen, ondergedompeld in het elektrolyt (een zwavelzuurwater oplossing). Deze platen zijn aan elkaar bevestigd in een kam-achtige structuur. De platen zelf bestaan uit een metalen rooster (stroom collector) die gebruikt worden voor de elektrische connectie. Deze roosters plakken aan een loodlegering die de actieve chemische laag voorstellen. Figuur 31: samenstelling lood-zuur batterij. [22]

43 De roosterstructuur bestaat uit een loodlegering, aangezien puur lood zacht zou zijn en zichzelf niet kunnen ondersteunen. Daarom wordt er een kleine hoeveelheid van een ander metaal toegevoegd. Deze legering gebeurt om zo de mechanische sterkte en de elektrische eigenschappen te verbeteren. De bekendste additieven zijn antimoon, calcium, tin en selenium. Als er bijvoorbeeld antimoon en tin worden toegevoegd dan verbetert de deep-cycling prestatie, maar zal het waterverbruik stijgen. Bij toevoeging van calcium verkleint de zelfontlading, maar de positieve plaat zal uitzetten als gevolg van oxidatie van de structuur bij het overladen. Lood-zuur is zwaar en minder duurzaam ten opzichte van de lithium-gebaseerde systemen voor deep-cycling. Een volledige ontlading vergt een inspanning en bij elke ont-/oplading wordt er een klein deel van de capaciteit permanent verloren gegaan. (deze slijtage komt voor bij elk batterij type) Op- en ontladen algemeen Het opladen van lood-zuur batterijen verloopt redelijk makkelijk, zolang de maximale spanningsgrenzen gerespecteerd worden. Opladen met een spanning lager dan de grenswaarde, beschermt de batterij meer, maar heeft minder prestaties. Daarnaast zullen er sulfaten of zuurresten worden opgebouwd aan de negatieve plaat. Wanneer we met een spanning boven de begrenzing zouden opladen, zouden de prestaties van de batterij verbeteren, maar zou corrosie aan het rooster van de positieve plaat doen ontstaan. Wanneer we batterijen gaan onderhouden dan zullen sulfaten hierdoor vermeden kunnen worden terwijl corrosie permanent zal blijven. Daarom kiest men ervoor om niet op te laden boven de spanningsgrenzen, maar onder de grens te blijven om zo permanente beschadiging te vermijden. [23] Daarnaast moet er opgemerkt worden dat lood-zuur baterijen zich niet lenen tot snel-laden (14-16uren nodig). Lood-zuur batterijen hebben een gemiddelde levensduur, hebben geen ingebouwde geheugenfunctie en werken goed bij koude temperaturen Chemisch 30 Figuur 32: chemische samenstelling lood-zuur batterij [22] Zoals eerder gemeld bestaat de lood-zuur batterij uit platen (elektronen): [22] De negatieve elektrode (= kathode) bestaat uit lood (Pb); De positieven elektrode (= anode) bestaat uit loodoxide (PbO 2); Beide elektronen zijn ondergedompeld in een 35% zwavelzuur en 65% water oplossing (H 2SO 4 + H 2O)

44 Bij het ontladen ontvangt de positieve elektrode elektronen vanuit het externe netwerk. Deze elektronen reageren met de actieve materialen van de positieve elektronen. Dit gebeurt volgens reductiereacties die instaan voor de continue doorstroming van ladingen door het elektrolyt naar de negatieve elektrode. In deze reductiereactie zal PbO 2 van het actieve materiaal geconverteerd worden tot PbSO 4. De elektronen van het externe circuit zullen geabsorbeerd worden alsook HSO 4- en H+ van het elektrolyt zal geabsorbeerd worden. Uiteindelijk zal water als bij product gecreëerd worden. In formulevorm wordt dit: [22] PbO 2 + SO H + + 2e PbSO 4 + 2H 2 O Bij de negatieve elektrode, ontstaan er oxidatiereacties tussen de actieve materialen van de negatieve elektrode en de ladingen die door het elektrolyt stromen. Dit resulteert in meerdere elektronen. Deze elektronen kunnen door de negatieve elektrode gedoneerd worden aan het externe circuit om zo de elektrische cyclus te sluiten. In deze oxidatie reactie wordt Pb geoxideerd tot PbSO 4 dat HSO 4- absorbeert uit het elektrolyt en H+ ionen afgeeft aan het elektrolyt. Dit gebeurt terwijl elektronen naar de negatieve elektrode geladen worden. In formule vorm wordt dit: [22] Pb + SO 4 2 PbSO 4 + 2e Kort samengevat: Voor elke elektron gegenereerd in de oxidatiereactie (bij de kathode) zal er een elektron geabsorbeerd wordt (bij de anode). Terzelfder tijd worden H+-ionen gegenereerd in het elektrolyt bij de kathode en geabsorbeerd bij de anode. Anders gezegd zijnde; om een extern circuit te voeden met elektronen, vloeit er intern in omgekeerde richting een H+-stroom door het elektrolyt. [22] Verzegelde lood-zuur batterijen Het bovenstaande type lood-zuur batterijen wordt het ondergedompelde type genoemd. In een ander type zoals het verzegelde type, zitten de platen niet meer in een vloeistof, maar in een bevochtigde separator. Het verschil is dat het bevochtigde type minder elektrolyt bevat ten opzichte van het ondergedompelde type. Een groot voordeel hiervan is de mogelijkheid om in de batterij zuurstof en waterstof te kunnen combineren voor het maken van water. Hierdoor kan het uitdrogen van de batterij voorkomen worden. Wanneer dit type batterij overladen zou worden zal er veel gas worden opgebouwd. Daarom is de batterij voorzien van een veiligheidsklep, waardoor het te veel aan gas kan ontsnappen. De meest voorkomende verzegelde lood-zuur batterij is: AGM of absorbent glass matt. Hierbij zit het elektrolyt in speciaal ontworpen glasvezel. Een voordeel van dit type is dat er snel kan geladen worden en er daaruitvolgend een grotere stroom kunnen geleverd worden. AGM batterijen werken het best bij een capaciteit van Ah en zijn minder geschikt voor de grotere systemen zoals de UPS. AGM wordt typisch gebruikt als startbatterij voor motoren en start-stop functies bij micro-hybride wagens. 31

45 32 Figuur 33: voorbeeld AGM [24] Een ander verzegeld type is de VRLA of de valve regulated lead acid batterij. Deze batterij bevat gel die het elektrolyt ophangt in een pasta. Daarom wordt dit type ook vaak de gelbatterij genoemd. Per cyclus vervaagt de capaciteit gradueel van een AGM batterij. Bij gelbatterijen daarentegen, heeft de capaciteit in functie van het aantal cycli, een klokvorm. Hierdoor zal deze gelbatterijen gedurende een langere tijd beter kunnen presteren tot op het punt de levensduur onmiddellijk zal dalen tot het einde van de levensduur. AGM types zijn duurder ten opzichte van de ondergedompelde types, maar wel goedkoper ten opzichte van gel types. De gel types kunnen niet tot hun vol potentiaal opgeladen worden, waardoor de spanningslimiet lager zal zijn ten opzichte van de ondergedompelde types. Dit betekent dus dat zowel gel- als AGM types niet gebruikt kunnen worden om de ondergedompelde types te vervangen Aquion Batterij Bij de opbouw van een testopstelling op de technologiecampus is er gebruik gemaakt van een nieuw soort batterij: De Aquion batterij. Het bedrijf dat deze batterij ontwikkeld is Aquion Energy. Doordat deze nieuwe technologie gepatenteerd is door het bedrijf, zal dit deel vooral gebaseerd zijn op de gegevens van het bedrijf zelf [26], onafhankelijke informatie over deze batterij is nog niet te vinden Algemeen Aquion Energy maakt gebruik van de Aqeous Hybrid Ion (AHI TM ) Intercalculation battery system. Dit type batterij werd door Aquion Energy ontwikkeld en geoptimaliseerd om een lang gebruik, zonder opnieuw op te laden, te kunnen bereiken en een zeer lange levensduur te verkrijgen. Voorts is men ervan overtuigd dat het kosten-efficiënt, veilig en duurzaam is. [25]

46 Samenstelling Om de samenstelling te kunnen verklaren moeten er eerst een aantal specifieke benamingen geduid worden. De chemische samenstelling van de AHI TM batterij, zoals te zien is in onderstaande figuur, wordt hier uitééngezet : [26] Een waterachtig elektrolyt: op water gebaseerd natriumsulfaat elektrolyt Hybride reacties: met asymmetrische en hybride reacties: o Aan de kathode: bestaat uit Mangaan-oxide o Aan de anode: bestaat uit carbon Meerdere ionen: in de chemische samenstelling zitten natrium- en lithium-ionen die fungeren als primaire ladingsdragers voor het opslaan van energie binnenin de batterij. Het elektrolyt: bestaat uit natriumsulfaat (= wit kristallijn zout/ NA 2SO 4) in een waterige oplossing. De separator: bestaat uit niet-geweven cellulosemateriaal (wat hier katoen is). Cellulose is een organische stof die in de natuur voorkomt. Ze wordt door nagenoeg alle planten gemaakt (vooral bomen) en is één van de stoffen die zich in de celwand bevindt. Het is een isolerend materiaal dat water kan opnemen. Kathode Anode Elektrolyt Separator Figuur 34: Samenstelling van de AHI batterij [28] De opbouw van de batterij ziet er dan als volgt uit: Kathode Separator Anode Elektrolyt Figuur 35: opbouw van de AHI batterij [27]

47 Batterij module In bovenstaande figuur staat hoe een Aquion batterij is opgebouwd. In deze samenstelling worden de Aquion batterijen niet op de markt aangeboden. Zo is het kleinst mogelijk te verkrijgen type in het segment de S-stack. Deze bestaat uit acht batterijcellen in serie, zodanig dat we een nominale spanning verkrijgen van 48V met een vermogen van 2kWh. Als beveiliging van de S-stack wordt er een smeltzekering per stack voorzien. Figuur 36: Aquion batterij in S-stack [26] Voordelen ten opzichte van lood-zuur batterijen Het grootste voordeel van het AHI type ten opzichte van het lood-zuur type is dat het AHI type tot 100 % kan ontladen worden zonder dat de levensduur verkort wordt. De meest bijzondere eigenschappen die tussen deze twee vergeleken kunnen worden staan in onderstaande tabel. Diepte van ontlading=100% Cycle levensduur Diepte van ontlading=50% Cycle levensduur Aanbevolen Temp. Marge voor optimale levensduur Lood-zuur AHI 100 tot 1500 cycli 3000 en meer cycli 500 tot 3000 cycli 6000 en meer cycli 25 C tot 30 C -5 C tot 40 C Onderhoud vereisten frequent geen Prestaties bij Slecht; kan leiden tot sulfatie gedeeltelijke SOC problemen Redundantie bij 48V Veiligheid Geen redundantie, het falen van een enkele cel kan het ganse systeem onderbreken Bijtend zwavelzuur moet opgevangen worden in het geval van breuk van het omhulsel Tabel 1: voordelen Aquion batterij tov de loodzuur batterij [26] Robuust bij eender welke SOC of applicaties van lange duur Batterijen op de nominale spanning van 48V leveren redundantie (een fout kan geen gans systeem openen) Het elektrolyt op basis van water is niet giftig en niet bijtend

48 Testen van batterij types Aangezien er enkele karakteristieken moesten opgenomen worden voor de uitwerking van deze masterproef zijn er testen uitgevoerd op deze twee types batterijen. De batterijen zijn eerst helemaal ontladen en daarna met een externe programmeerbare voedingsbron opnieuw opgeladen. Door het gebruik van een programmeerbare voedingsbron konden vervolgens de karakteristieken van de 2 types batterijen opgenomen en berekend worden. Figuur 37: Externe voedingsbron Figuur 38: oplading van een Aquion stack

49 Meting op lood-zuur batterij Om deze metingen te kunnen uitvoeren is er gebruik gemaakt van een 12V-batterij van het lood-calcium type met een capaciteit van 60Ah. De batterij is eerst volledig ontladen totdat er een spanning van 10,5V bereikt werd. [28] Eenmaal de batterij ontladen is tot zijn laagste spanning, moet de batterij rusten zodat het elektrolyt zich kan stabiliseren. Pas dan kan er effectief gekeken worden of de klemspanning voldoende is gedaald. Zo niet, moet deze terug even ontladen worden. Wanneer er terug ontladen wordt en de klemspanning daalt heel snel, kan ervan uit gegaan worden dat de batterij quasi volledig ontladen is. De batterij is dan opgeladen volgens onderstaande figuur waarin we opnieuw de 3 laadfases herkennen van een laadcyclus. De verschillende fases hierbij zijn: Bulkfase: 6A constante stroom tot de spanning 14.8V bereikt. Absorptiefase: onder constante spanning van 14.8V gedurende 2 uur. Floatfase: onder constante spanning van 13.8V tot de stroom daalt onder 1A. Figuur 39: karakteristiek fabrikant [32] In deze meting is de stroom constant gehouden bij de bulkfase. In bovenstaande karakteristiek is de bulkfase opgesplitst in een deel met constante stroom en een deel met constant vermogen. Aangezien er bij de fase van een constant vermogen geen verdere data gegeven is, is de fase van constant vermogen niet toegepast. De stroom is in dit deel ook constant gehouden, zoals de bulkfase van een standaard lood-zuur batterij voorschrijft. [29] In onderstaande grafieken zijn de meetresultaten van de meting op de batterij gegeven. Figuur 39 geeft de volledige cyclus weer die opgemeten is. In figuur 40 is het gemeten laadvermogen gegeven in functie van de tijd. In figuur 41 is de state of charge of tot hoeveel Ah de batterij opgeladen is gegeven in functie van de tijd. Als laatste is figuur 42 gegeven die het laadvermogen in functie van de SOC weergeeft.

50 37 Bulk fase Apsorption fase Float fase Figuur 41: spanning en stroom i.f.v. de tijd Figuur 40: Laadvermogen in functie van de tijd

51 38 Figuur 41: SOC i.f.v. de tijd Figuur 42: laadvermogen (Pcharge) i.f.v. de tijd

52 Waarnemingen Uit de metingen blijkt dat de lood-zuur batterij opgeladen is tot een SOC van net geen 80% na ongeveer 8 uur opladen. De bulkfase heeft ongeveer 5 uur en 30 minuten geduurd waarna de batterij tot een SOC van ongeveer 65% opgeladen is. Bij standaard lood-zuur batterijen zou de bulkfase tussen de 5 en 8 uur duren en tot een SOC van 70% opgeladen zijn. Dit betekent dus dat de batterij doet wat er verwacht wordt. Het enkel opladen van de batterij tot een SOC van 80% kan te wijten zijn aan verscheidene zaken. Zo werd er geen lineaire daling van de stroom in de bulkfase gestoken, waardoor de bulkfase sneller zal eindigen. Daarnaast is de meting voor de eindwaarde van de floatingfase beëindigd. Het kan anderzijds ook op een verouderde batterij wijzen die, door degradatie, niet meer over haar volledige capaciteit beschikt. Uit deze meting is de karakteristiek van het laadvermogen in functie van de SOC gehaald. Deze karakteristiek zal later gebruikt worden voor het opbouwen van de regeling die nodig is in deze masterproef. Het gebruik van deze grafiek zal verder in deze scriptie verduidelijkt worden Meting op Aquion batterij De metingen zijn gebeurd op een 48V Aquion batterijstack met een capaciteit van 52Ah. Opnieuw is de stack eerst volledig ontladen en achteraf opgeladen volgens de gegevens die in de datasheet van dit type stack te vinden zijn. De Aquion batterij laat toe om te werken volgens drie oplaadfasen net zoals een lood-zuur batterij. Volgende gegevens zijn te vinden in de datasheet [35] (zie bijlage): Bulkfase: Opladen met een constante stroom van 4A tot de spanning 59V bereikt. Absorptiefase: Opladen met een constante spanning van 59V voor één uur; Floatfase: Opladen met constante spanning van 54V. Figuur 42: Aquion met drie fasen opladen

53 Bovenstaande figuur geeft de SOC in functie van de tijd weer. Zoals op de figuur te zien is, is de meting beëindigd op een SOC van 45% nadat de volledige laadcyclus doorlopen was. Na contact op te nemen met het bedrijf Aquion Energy, die dit type batterij ontwikkeld, blijkt dat het opladen van een Aquion batterij mag gebeuren via een laadcyclus met 3 fasen, maar dat dit niet efficiënt genoeg is. De oplossing van dit probleem is door te werken met 2 fasen of dus een verkorte laadcyclus zonder floatfase. De volgende gegevens zijn daarna gebruikt om de meting uit te voeren: Bulk fase: constante stroom van 4A tot de spanning 59V bereikt; Absorption fase: constante spanning van 59V tot de stroom daalde tot 1A; In onderstaande grafieken zijn de meetresultaten van de meting op de batterij gegeven. Figuur 43 geeft de volledige cyclus weer die opgemeten is. In Figuur 44 is het gemeten laadvermogen gegeven in functie van de tijd. In Figuur 45 is de state of charge of tot hoeveel Ah de batterij opgeladen is gegeven in functie van de tijd. Als laatste is Figuur 46 gegeven die het laadvermogen in functie van de SOC geeft. 40 Figuur 43: spanning en stroom bij opladen

54 41 Figuur 44: Laadvermogen in functie van de tijd Figuur 45: SOC i.f.v. de tijd

55 42 Figuur 46: laadvermogen i.f.v. SOC Waarnemingen Uit deze metingen blijkt dat er een beter resultaat is verkregen waarbij de batterij opgeladen werd tot een SOC van 90%. Ondanks de vele voordelen van dit type batterij is er toch een nadeel naar boven komen drijven. Het opladen van Aquion batterijen volgens de drie fasen werkt niet om de batterij volledig op te laden. Om Aquion batterijen op te laden zal er dus gebruik moeten gemaakt worden van een tweefasige laadcyclus zonder floatfase. Dit kan voor problemen zorgen om dat niet elke batterijlader voorzien is om te werken met een verkorte laadcyclus. Zo zal ook, bij de omvormers die in deze opstelling gebruikt worden, de floatfase niet uitgeschakeld kunnen worden maar wel de absorptiefase. Hierdoor zal de floatfase gebruikt moeten worden als absorptiefase en zal de floatfase niet meer gebruikt worden om degradatie tegen te gaan. De floatfase zal dus gebruikt worden om de batterij verder op te laden bij een constante spanning van 59V. Eén van de grootste voordelen van Aquion batterijen is dat ze volledig mogen ontladen worden of ontladen mogen worden tot een SOC van 0%. Wanneer we echter volledig gaan ontladen is uit de metingen gebleken dat de spanning daalt tot 30 V. Wanneer er dan gebruik wordt gemaakt van de Xtender XTM , zoals hiervoor besproken, is er opgemerkt dat de werking van de omvormers in het gedrang zou komen. De minimale werkspanning van de omvormers is namelijk 36 V. Dit heeft tot gevolg dat er niet volledig ontladen kan worden. Hierdoor zal één van de grootste voordelen van dit type batterij beperkt worden tot ontladingen bij een kleine stroom. (Tot onder 5% bij een ontlaadstroom per stack van 2.2A en tot 20% SOC met een ontlaadstroom van 9.9A per stack.)

56 Keuze batterijen Een andere manier om het juiste batterijtype te selecteren voor de gewenste opstelling is volgens een selectietool die door KU Leuven ter beschikking wordt gesteld. Deze tool houdt rekening met verschillende type batterijen, waaronder ook de Aquion batterij. [30] De tool houdt rekening met volgende eigenschappen: Benodigd vermogen Benodigde capaciteit Milieu impact Benodigd volume Benodigd onderhoud Levensduur (vervanging van installatie) Gewicht van de batterijbank Kost van de batterij Al deze parameters moeten ingesteld worden volgens de opstelling waarin de batterijen gebruikt zullen worden. Hoe de selectietool deze parameters omzet en berekend wordt in deze masterproef niet verder uitgewerkt. Wanneer er toch interesse zou zijn naar de werking van deze tool, wordt er doorverwezen naar de bijlage. Om de tool te kunnen opstarten, moet het gewenste vermogen en energie ingegeven worden. Om het vermogen te bepalen wordt de werkspanning van de omvormers genomen. Deze spanning van 48 V wordt vermenigvuldigd met de maximale laadstroom van de omvormers, die 50 A per omvormer bedraagt. Het vermogen van de batterij moet daarom gelijk zijn aan 48V * 50A * 3 = 7200W. Om de energie van de batterijen te bepalen, staat er in de datasheets dat de minimale capaciteit van de batterijen vijf keer de grootte van de nominale output moet zijn. De energie van de batterijen zal daarom gelijk zijn aan 3500 VA * 5 * 3= 52500Wh. In beide formules vermenigvuldigen we met een factor drie aangezien we een driefasig systeem hebben waarbij elke fase gevormd wordt door dezelfde batterij. In onderstaande figuur wordt dan het resultaat van de rekentool gegeven. Hierbij is er geen rekening gehouden met het gewicht en het volume van de batterij. De selectietool laat blijken dat de Aquion batterij het beste type zou zijn in onze situatie. Figuur 47: resultaat van selectietool [31]

57 44 Wordt er wel rekening gehouden met het volume dan zal de Aquion batterij niet meer bovenaan de lijst staan. De lithium-ijzer-fosfaat batterij zal een kleiner volume innemen. Deze test kan bijvoorbeeld interessant zijn wanneer er weinig plaats voorzien is om de batterijen te stockeren. Figuur 48: resultaat selectietool met gewicht in rekening gebracht [31] Besluit Op basis van de info van Aqiuon Energy en de selectie tool kan er besloten worden dat een Aquion batterij de betere keuze zou zijn. Er zijn echter enkele addertjes onder het gras. Wanneer de Aquion batterij opgeladen wordt via een driefasige laadcyclus zal de Aquion batterij niet efficiënt genoeg opgeladen worden. Hierdoor zal slechts een SOC van 45 % bereikt worden, nadat een volledige laadcyclus doorlopen werd. De oplossing bestaat eruit om een tweefasige laadcyclus te gebruiken zonder floatfase. Ook het volume en het gewicht van de Aquion batterijen zijn een nadeel. Op vlak van duurzaamheid heeft de Aquion batterij dan wel voorsprong op de andere types. Aangezien EVW duurzaamheid voorop stelt, wordt een opstelling met Aquion batterijen aangeraden.

58 VERMOGENSINJECTIE IN FUNCTIE VAN DE STATORFREQUENTIE Algemeen principe Om het geïnjecteerde vermogen te kunnen regelen zal dit meestal gebeuren door de rotorfrequentie of de draaisnelheid van de asynchrone machine te verminderen. nr = ns nr > ns Maximale injectie Figuur 49: rotortoerental varieert [14] Bovenstaande grafiek illustreert dit geval, om meer vermogensinjectie te verkrijgen zou het rotortoerental moeten verhoogd worden. Aangezien de verbrandingsmotor de asynchrone machine op een continu toerental aandrijft (er is dus geen elektrische toerental regeling aanwezig, enkel aan de brandstoftoevoer zit er een mechanische regeling die het toerental van de verbrandingsmotor op 1530tpm houd) wordt in plaats van het rotortoerental n r het statortoerental n s gewijzigd. Met andere woorden, om de vermogensinjectie vanuit de asynchrone machine controleerbaar te maken, moet statorfrequentie en dus de frequentie op het microgrid aangepast kunnen worden. n r = 1530 tpm = vast n s = 1530tpm Geen injectie Maximale injectie n r = 1530 tpm = vast n s = 1500tpm Figuur 50: schets statorfrequentie varieert [14]

59 De schets in bovenstaande figuur illustreert het gevolg van het wijzigen van de statorfrequentie, de koppel-slip karakteristiek verschuift langsheen de x-as. Dus om geen vermogensinjectie te hebben, moet de statorfrequentie gelijk zijn aan de rotorfrequentie. In dit geval zal, wanneer het rotortoerental 1530 tpm of 51Hz bedraagt, de statorfrequentie op 51Hz moeten gezet worden om de vermogensinjectie te stoppen. Met als gevolg dat de oorspronkelijke koppel-slip karakteristiek naar rechts opschuift. Het vermogen in dit systeem zal dus geregeld worden op basis van de statorfrequentie. Hoe groot het vermogen wordt bij verschillende statorfrequenties zal verduidelijkt worden via het cirkeldiagram van Osanna Cirkeldiagram voor motorwerking Op basis van het vereenvoudigd enkelfasig vervangschema wordt de vermogensverdeling bij een willekeurig punt W in het cirkeldiagram bepaald. [15] jx sk R 1+ k²(r 2+ R 2v ) ῑ 1 ῑ 1 n r 46 ῑ v,fe ῑ m T em Ū R vfe jx m Ē 1 [k²(r 2 +R 2v )(1-g)]/g Figuur 51: vereenvoudigd enkelvoudig schema Uit dit vervangschema volgt de effectief waarde van de lastcomponent in de statorstroom bij een werkpunt W: I 1.W = U 1 X 2 sk + (R 1 + k² R 2 g ) Wanneer de mechanische belasting zou veranderen, zal dit door middel van de slip ook deze effectiefwaarde veranderen. Ook zal op dat moment de fasehoek veranderen. De fasevoorijling φ 2,W van Ū 1 t.o.v. Ī 1.W kan als volgt berekend worden: sin φ 2,W = X sk X 2 sk + (R 1 + k² R 2 g ) Bovenstaande vergelijkingen (indien de slip g geëlimineerd wordt) vormen volgende vergelijking: I 1.W = U 1 sin φ X 2,W sk Deze vergelijking beantwoord aan de vergelijking van een cirkel in poolcoördinaten r = 2R cos θ Met andere woorden zal de slip g bij een bepaalt instelpunt een cirkel doorlopen. Door middel van het cirkeldiagram kan er op elk punt de vermogensverdeling bepaald worden. Daarvoor moeten eerst de punten S (als de slip 1 is) en F (fictief punt als de slip oneindig is) bepaalt worden.

60 47 In onderstaande figuur staat een schets van dergelijk cirkeldiagram: Ref. Ū 1 Ī 1,W W Ī 1,W Vermogenlijn Koppellijn S g=1 F g= ϕ 1,W ϕ 2,W ϕ 1,0 P T W O Ī 1,0 W Figuur 52: Cirkeldiagram van Osanna bij motorwerking Als er dan wordt ingezoomd op het instelpunt W, dan is de vermogen verdeling als volgt: W P em,w P P el,w T P v,cu rotor,w W P v,cu stator,w P v,fe,w W Figuur 53: Vermogensverdeling bij motorwerking Er kan dus, voor het elektrisch toegevoegd vermogen, volgende formule opgesteld worden rekening houdend met de (elektrische) verliezen: P el,w = P em,w + P v,cu rotor,w + P v,cu stator,w + P v,fe

61 48 Rekening houdend met het vereenvoudigd equivalent schema kunnen de vermogens als volgt worden omschreven: P v,cu rotor,w + P v,cu stator,w = 3(R 1 + k²r 2 ) I 1.W P v,fe = 3 U 1 2 R v.fe P em,w = 3 k²r 2(1 g) g I 1.W Dus het elektrische vermogen zal berekend worden als volgt: P el,w = 3 k²r 2(1 g) g + 3(R 1 + k²r 2 ) I + 3 U 1 2 I 1.W 1.W R v.fe Cirkeldiagram bij generatorwerking Bij generatorwerking zal de slip g negatief worden, waardoor het cirkeldiagram er als volgt zal uitzien: [32] Ref. Ū 1 S g=1 Ī 1,W Ī 1,W Vermogenlijn Koppellijn F g= P O Ī 1,0 T W W W Figuur 54: Cirkeldiagram bij generatorwerking

62 49 Wanneer er dan ingezoomd wordt om zo de vermogensverdeling te kunnen bepalen, dan wordt de volgende verdeling verkregen: P T W W P em,w W P el,w Figuur 55: vermogen indeling bij generatorwerking Dus wordt het hieruit afgeleid elektrisch (nuttig) vermogen: P el,w = P em,w P v,cu rotor,w P v,cu stator,w P v,fe P el,w = 3 k²r 2(1 g) g 3(R 1 + k 2 R 2 ) I 3 U 1 2 I 1.W 1.W R v.fe In deze formule zal de statorfrequentie gebruikt worden in de slip om zo het geïnjecteerde vermogen te bekomen Berekening en meting geïnjecteerd vermogen in functie van de statorfrequentie Het systeem is in een eerste fase opgebouwd in een testopstelling met een verlaagd vermogen van 2,2 kw. Deze testopstelling zal later nog verduidelijkt worden. Via Leroy-Somer/Emerson zijn de componenten van het vereenvoudigd schema van de gebruikte motoren in de testopstelling bekend. Aan de hand van deze gegevens (zie bijlage) en door middel van bovenstaande formules, is er in stappen van 0,1 Hz van de statorfrequentie, de vermogensinjectie berekend. fs (Hz) ns (tpm) g I 1' (A) sinϕ 2 I 1' (A) Pel (W) berekend Pel (W) gemeten 50, ,7-0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

63 Pel (W) 50, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Tabel 2: berekeningen geïnjecteerd vermogen testopstelling campus Merk op dat de stroomcomponent I 1' op twee manieren wordt uitgerekend, de eerste keer aan de hand van de slip en de tweede keer met de vereenvoudigde formule. Ook wordt er enkel met de effectieve component van de stroom gerekend vermits de sinus sinϕ 2 zeer klein is. Hierdoor zal deze nauwelijks invloed hebben op de berekeningen. De gemeten waarden zijn verkregen na een meting van het geproduceerd vermogen. De metingen zijn gebeurd van 50,9 tot 50,2 Hz zodanig dat het geïnjecteerde vermogen niet groot zal worden. De hogere waarden van het elektrisch vermogen in de berekeningen zijn te verklaren door het feit dat deze berekeningen geen rekening houden met de mechanische verliezen die optreden. In onderstaande grafiek worden de gemeten en berekende waarden van de vermogens in functie van de frequentie uitgetekend. 50 P el (f s ) Pel (W) berekend Pel (W) gemeten ,6 49, ,2 50,4 50,6 50, , fs(hz) Figuur 56: grafiek met berekende en gemeten waarden De berekende waarden sluiten nauw aan met de gemeten waarden. Nu de berekende waarden met behulp van de gemeten waarden gecontroleerd zijn, kan er met de berekende waarden verder gegaan worden. Dit is nodig voor het bepalen van de parameters bij de gekozen oplossing voor de regeling die later verklaart zal worden. Ook is het nodig dezelfde berekeningen uit te voeren met de asynchrone machine die bij de mini-wkk hoort. Deze asynchrone machine heeft een nominaal vermogen van 15kW en is van het merk WEG. Aan de hand van de gegevens (zie bijlage) van de asynchrone machine zijn onderstaande berekeningen uitgevoerd:

64 Pel (W) 51 fs (Hz) ns (tpm) g I 1' (A) P el (W) 50, ,7-0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,09158 Tabel 3: berekening vermogen opstelling EVW 2000 P el (f s ) , ,2 50,4 50,6 50, , fs(hz) Figuur 57: grafiek berekend voor de asynchrone machine bij EVW Aan de hand van deze berekeningen en metingen is het duidelijk dat de vermogensinjectie van de mini-wkk geregeld zal kunnen worden van geen injectie tot 12 kw, dit in 10 stappen van 0,1 Hz of dus van 50 Hz tot 51 Hz.

65 SAMENVATTING VOORSTUDIE Samengevat kan er gesteld worden dat het bedrijf EVW een mini-wkk ter beschikking heeft waaruit men kan kiezen om deze autonoom of net gekoppeld in bedrijf te nemen. Uiteindelijk wordt het autonoom net gekozen omwille van de flexibelere inwerkingsstelling. Ook omwille van de tijd tussen het nemen van de beslissing om een autonoom net op te bouwen en de werkelijke inwerkingsname van de installatie, zal de termijn korter zijn dan wanneer er gekozen wordt om een netgekoppeld systeem op te bouwen. Omdat de mini-wkk door EVW ontwikkeld is met een asynchrone machine, moet er een microgrid opgebouwd kunnen worden om de asynchrone machine te laten werken als een generator. De asynchrone machine heeft dus een net nodig voor het opbouwen van het statordraaiveld. Dat microgrid wordt opgebouwd met energie afkomstig van batterijen, deze batterijen zijn voorlopig lood-zuur batterijen bij EVW. De Aquion batterijen zijn de batterijen die op de campus gebruikt zijn. De energie van de gelijkstroomzijde wordt via een omvormer per fase naar wisselstroom omgezet. De omvormer dient eveneens als batterijlader. De omvormers bouwen dus het microgrid op en bepalen de frequentie op dat net. Doordat de asynchrone machine op een constant toerental wordt aangedreven (1530tpm) is de statorfrequentie de variërende parameter die het geïnjecteerd vermogen bepaald. De omvormers zijn dus de dominante toestellen van het complete systeem aangezien ze de frequentie opleggen aan het microgrid en daardoor de vermogensinjectie kunnen bepalen. Onderstaande figuur illustreert de volledige opbouw van het systeem. Mini-WKK Verbrandingsmotor 1530 tpm 15kW 415V 29.0A ASM Motorbeveiliging Xtenders: elk 3.5kVA Xtender1 Xtender2 Xtender3 Verbruikers AC-bus Xtenders Idc max 19A Batterijpakket 1000Ah 48V Rbat Figuur 58: situatieschets opstelling EVW + Rdc Rdc DC-bus

66 53 3 PROBLEEMSTELLING Nu het concept verklaart is, zal het probleem verder verduidelijkt worden zodanig er een oplossing kan aangereikt worden. 3.1 REGELING IN OMVORMER Regeling De aanleiding voor deze masterproef is de regeling van het geïnjecteerde vermogen dat niet optimaal werkt. De regeling van het geïnjecteerd vermogen van de mini-wkk via een asynchrone machine die draait op een constant toerental van 1530 tpm, gebeurt door de frequentie te laten variëren tussen 50Hz en 51Hz. Doordat de regeling werkt met het wijzigen van de frequentie van het microgrid, wordt daardoor onmiddellijk de statorfrequentie van de asynchrone machine gewijzigd. Gelet op het feit dat de verbrandingsmotor de asynchrone machine op een continu toerental aandrijft (Er is dus geen elektrische toerental regeling aanwezig, enkel aan de brandstoftoevoer van de mini-wkk zit een mechanische regeling die de het toerental van de verbrandingsmotor op 1530 tpm houdt) wordt, door de frequentie te wijzigen, de koppel-slip karakteristiek verschoven langs de x-as. Dit om zo een regeling te verkrijgen van het koppel en uiteindelijk van het geïnjecteerd vermogen. Dit staat geïllustreerd in onderstaande figuur tpm = vast Geen injectie Maximale injectie Figuur 59: schets statorfrequentie opschuiven [14] In deze opstelling heeft de asynchrone machine een nominaal vermogen (P nom) van 12kW en een nominaal toerental (n r,nom) van 1465tpm (volgens de kenplaat van de WEG asynchrone machine in mini-wkk)

67 54 De regeling van de frequentie binnen de omvormer gaat als volgt te werk: De regeling van de omvormer zal gebaseerd zijn op de batterijspanning die aan klemmen van de omvormers gemeten worden. Onderstaande figuur komt uit de handleiding van de omvormer. Figuur 60: regeling in Xtender [20] De ondergrens van de frequentie (parameter 1112) is ingesteld als 50Hz waarbij een maximale vermogensinjectie verkregen wordt. De bovengrens is 51Hz waarbij de asynchrone machine synchroon zal meedraaien en waardoor er geen vermogensinjectie plaatsvindt. Hierdoor zal de frequentieshift, parameter A in de figuur, gelijk zijn aan 1Hz. Parameter B stelt de floatingspanning van de batterij voor. Deze werd op 57V ingesteld zoals de datasheets zich voorschrijven. Parameter C zal ingesteld zijn op 2V. Dit is echter niet zelf in te stellen en bedraagt voor een omvormer met 48V DC-spanning steeds 2V en valt niet te wijzigen. De regeling in de omvormer zorgt ervoor dat wanneer de batterijspanning lager is dan 55V, de frequentie op 50 Hz gehouden wordt. Hierdoor zal de maximale vermogensinjectie plaats vinden. Wanneer de batterijspanning 58V bedraagt, zal de frequentie op de bus 51Hz bedragen. Hierbij zal er geen vermogen geïnjecteerd kunnen worden op de bus. Wanneer de batterijspanning zich tussen 55V en 58V bevindt, zal de frequentie geregeld worden volgens de ingestelde curve waarbij de stijging gegeven wordt door C/A. Ter verduidelijking van de regeling vindt men in onderstaande figuur de grafiek van de regeling met gegevens. f(hz) 51Hz U float :57V f:1hz 50Hz 2V Figuur 61: regeling omvormer met gegevens U bat (V)

68 Probleemstelling Onstabiele regeling Tijdens testen, die uitgevoerd zijn voor het starten van deze masterproef, werd vastgesteld dat bij een vermogensinjectie die groter was dan 5kW en kleiner dan 8kW de vermogensinjectie op de AC-bus niet meer stabiel was. De verklaring van dit fenomeen, dat later als het pingpongfenomeen zal omschreven worden, is de volgende: Wanneer de frequentie op de AC-bus gelijk is aan 50Hz, wordt er maximaal vermogen geïnjecteerd. Wanneer de verbruikers dit vermogen niet volledig kunnen opnemen vloeit de rest van het vermogen naar de omvormers en worden de batterijen opgeladen zoals te zien is in onderstaande figuur. Figuur 62: vermogensverdeling bij 50Hz op AC-bus [35] De spanning die de omvormer aan DC-zijde ziet, is echter een spanning die ook rekening houdt met de verliezen in de bedrading (R DC) en de verliezen van de interne weerstand van de batterijen (R bat). V omvormer = V bat + (2 R DC + R bat ) I DC De spanning die de omvormer ziet zal hier gelijk zijn aan 58V. Wanneer de frequentie op de AC-bus gelijk is aan 51Hz, wordt er geen vermogen geïnjecteerd. De verbruikers worden door de batterijen gevoed en zullen daardoor ontladen worden. Zoals te zien is in onderstaande figuur, zal de stroom aan de batterijen omdraaien van teken.

69 56 Figuur 63:vermogensverdeling bij 51Hz op AC-bus [35] De spanning aan de omvormer word dan: V omvormer = V bat (2 R DC + R bat ) I DC De spanning die de omvormer ziet zal hier gelijk zijn aan 54V. Hieruit kunnen we besluiten dat de spanningsval over de verliezen ongeveer 4V zou zijn. Vermits de parameter B op 57V word ingesteld en de waarde van C vast ingesteld is op 2V zal wanneer: de batterijspanning kleiner of gelijk is aan 56V, de frequentie op 50Hz ingesteld worden. de batterijspanning groter of gelijk is aan 58V, de frequentie op 51Hz worden ingesteld. Bij de vooraf besproken metingen wordt bij 50Hz een DC-spanning van 58V gemeten door de omvormer. Wanneer 58V gemeten wordt aan de klemmen van de omvormer, zal de regeling inschakelen die de frequentie op 51Hz zal instellen. Wanneer dan de frequentie op 51Hz wordt gezet, zal de omvormer een DC-spanning van 54V, wat kleiner is dan de grenswaarde van 56V, opmeten aan de klemmen van de omvormer. Hierdoor zal de regeling in de omvormers, de frequentie opnieuw op 50Hz instellen. Dit resulteert in een oscillerend effect waarbij het vermogen zal afwisselen tussen geen injectie en maximale injectie. Dit wordt geïllustreerd in onderstaande figuur.

70 57 Pingpong fenomeen Figuur 64: vermogen op AC-bus [35] De frequentie verandert periodisch van 50Hz naar 51Hz, waardoor de batterijen periodisch afwisselen tussen op- en ontladen. Hierdoor zal de asynchrone machine in de mini-wkk periodisch afwisselen tussen maximale vermogensinjectie en geen injectie. Dit fenomeen wordt het pingpong-fenomeen genoemd Overbelasting omvormers Doordat de omvormers ondergedimensioneerd zijn, zullen in volgende situaties de omvormers uitgeschakeld worden door overbelasting: De batterijen zijn opgeladen en de verbruikers gaan van een hoog verbruik naar een zeer laag verbruik. Wanneer de mini-wkk wordt ingeschakeld op vollast waarbij er onmiddellijk 12kw geïnjecteerd zou worden. Wanneer zich bovenstaande situaties voordoen zal het vermogen die de batterijen kunnen opnemen te klein zijn. Dankzij de onderdimensionering zal de laadstroom beperkt zijn tot 150A voor de drie omvormers samen. Een deel van het vermogen op AC-bus kan niet meer weg, waardoor de omvormers zullen uitschakelen door overbelasting. In voorafgaande test is er geprobeerd om deze problemen te vermijden door de floatspanning (parameter B), waarbij de frequentieshift werd toegepast, te wijzigen. Het verlagen van deze parameter leidt tot een performanter systeem waarbij een snellere frequentieshift toegepast wordt. Hierdoor zullen de omvormers minder snel uitschakelen door overbelasting, want de regeling kan sneller reageren. Het pingpong-fenomeen werd door het toepassen van deze methode nog niet opgelost Besluit Door het optreden van het pingpong-fenomeen werkt deze regeling, in dit systeem, niet performant genoeg. Er zal dus naar een andere regeling moeten gezocht worden, dat rekening houdt met de onderdimensionering van de omvormers en zorgt voor een stabiele AC-bus, waarop de vermogensinjectie beheerd kan worden. De regeling zal de problemen rond het pingpong-fenomeen en de overbelasting van de omvormers moeten vermijden.

71 58 4 MOGELIJKE OPLOSSINGEN 4.1 REGELING OP BASIS VAN DC-STROOM Aangezien de grootste beperking van de omvormers de maximale laadstroom van 150A is, is er eerst gekeken of een regeling mogelijk zou zijn op basis van de DC-stroom. Er zou op deze manier een regeling ontworpen worden die ervoor zorgt dat, wanneer de stroom maximaal wordt, onmiddellijk de frequentie verhoogd wordt zodanig het geïnjecteerde vermogen op de bus daalt. Een eerste probleem bij deze redenering is dat de batterij niet op elk ogenblik de maximale laadstroom kan verdragen. Afhankelijk van de hoeveelheid energie zich in de batterij bevindt, zal een batterij meer of minder energie kunnen opnemen. Er is dus een graadmeter nodig die bepaald hoeveelheid energie zich in de batterij bevindt. Via de batterijstroom zou gevonden kunnen worden hoeveel energie er op- en ontladen wordt, gedurende een bepaalde periode. Dit lijkt op het eerste zicht een goede graadmeter, maar is in werkelijkheid onnauwkeurig. Wanneer we snel veel energie gaan ontladen zal dit meer energie kosten dan dat er gemeten wordt. Dit komt door chemische reacties die binnen de batterij verstoord worden. Een tweede probleem is dat het verbruik het geïnjecteerd vermogen, op deze manier, niet beïnvloedt. Wanneer er verbruikers zouden bijgeschakeld worden, zal de regeling hier niet op reageren en zou het extra verbruik via de batterijen gevoed moeten worden. Dit zou er dus voor kunnen zorgen dat de mini-wkk bij een laag rendement zou moeten werken terwijl er een groot verbruik ingeschakeld is. 4.2 REGELING OP BASIS VAN BATTERIJSPANNING EN VERBRUIKT VERMOGEN Een tweede manier van regelen is via een master-slave principe op basis van de batterijspanning en het actief verbruikt vermogen. Om de hoeveelheid energie in de batterijen te bepalen kan de batterijspanning als graadmeter gebruikt worden. Door het actief verbruikt vermogen te meten, wordt ervoor gezorgd dat het geïnjecteerd vermogen beter afgestemd zal worden op het verbruik. Het grootste probleem bij deze regeling is de meting van de batterijspanning om de hoeveelheid energie in de batterijen te bepalen. De batterijspanning zou een goede graadmeter voor de SOC zijn, wanneer deze meting op de openklemspanning van de batterijen zou gebeuren. Aangezien de batterijspanning tijdens de regeling gemeten moet worden, zal deze waarde nooit correct kunnen zijn. Bovendien zal de regeling ook niet snel kunnen gebeuren. Wanneer er bijvoorbeeld plots meer energie zal opgenomen moeten worden door de batterijen, zal het elektrolyt hier niet onmiddellijk op reageren. De spanning zal hierdoor vertraagt stijgen. Er is dus nood aan een regeling die een correcte meting kan weergeven van de hoeveelheid energie dat zich in de batterij bevindt.

72 59 5 REGELING OP BASIS VAN DE SOC EN HET ACTIEF VERBRUIKT VERMOGEN In de uiteindelijk gekozen oplossing zal de regeling gebeuren op basis van de SOC en het actief verbruikt vermogen. In voorgaande pogingen om een regeling uit te werken, zocht men een graadmeter voor de SOC omdat de SOC niet simpel kan opgemeten worden zonder extra componenten aan het systeem toe te voegen. Aangezien er nood was om de SOC correct te bepalen is er gebruik gemaakt van een battery status processor of BSP genoemd. De werking van de BSP zal in volgend hoofdstuk verder uitgelegd worden. Om de regeling te kunnen begrijpen moeten er eerst enkele parameters en randvoorwaarden verduidelijkt worden. Daarna volgt een stapsgewijze uitleg van de volledige regeling 5.1 PARAMETERS EN RANDVOORWAARDEN VAN DE REGELING Parameters aan WKK-zijde Aan de mini WKK- zijde zijn enkel de parameters van de asynchrone machine bepalend voor de regeling. P ASM = Geïnjecteerd vermogen uit de asynchrone machine. Dit is het effectieve vermogen die er op de bus gezet wordt. Het actief vermogen dat geïnjecteerd wordt op de bus zal afhankelijk zijn van de frequentie op de bus. P nom, ASM = Het nominaal geïnjecteerd vermogen vanuit de asynchrone generator. Dit is het maximale vermogen dat er op de bus kan geïnjecteerd worden. Wanneer er meer vermogen zou geïnjecteerd moeten worden, zal de generator overbelast werken. Hierdoor zal het lineair verband tussen het vermogen en de frequentie niet meer geldig zal zijn Parameters van de omvormers f bus = Frequentie op de bus De frequentie op de bus zal afhankelijk zijn van het te injecteren vermogen. De frequentie kan geregeld worden tussen 50 Hz en 51Hz. Hierbij zal men het maximaal geïnjecteerd vermogen injecteren bij 50 Hz en geen vermogen injecteren bij 51Hz. De regeling van de frequentie is begrensd op de nauwkeurigheid van de omvormers. Deze is nauwkeurig tot op 0,1 Hz. Daarom zal de frequentie geregeld moeten worden in stappen van 0,1 Hz f min = Minimale frequentie op de bus Het maximale vermogen dat geïnjecteerd kan worden zal bereikt worden bij de minimale frequentie van 49,8 Hz. f max = Maximale frequentie op de bus Wanneer het er geen injectie mogelijk mag zijn zal de maximale frequentie gelijk zijn aan 51 Hz. Hierbij is dan zowel het rotortoerental gelijk aan statortoerental.

73 Randvoorwaarde 1: Onder- en bovengrens SOC(%) SOC SOC Full 100% Buffer 95% SOC max SOC min 30% Figuur 65: Onder- en bovengrens SOC SOC = State Of Charge (%) De SOC wordt gebruikt om te bepalen in hoeverre de batterij opgeladen is. Met deze waarde wordt de boven en ondergrens van de regeling bepaald. De SOC wordt zal opgemeten worden en gebruikt worden in de regeling. SOC min = Ondergrens van de State Of Charge (%) De batterij mag niet dieper ontladen worden dan deze grens. Onder de grens van SOC min zal de opstelling niet kunnen werken omdat er niet genoeg vermogen meer is om de WKK te laten opstarten, de omvormers te voeden en het reactief vermogen te voeden. Er moet voor gezorgd worden dat de grens van SOC min zeker hoger ligt dan de grens waarbij er problemen zouden kunnen optreden. De ondergrens wordt momenteel op 30% gezet zodanig er zich geen problemen kunnen voordoen. SOC max = Bovengrens van de State Of Charge (%) Dit is de bovengrens van de batterij. Wanneer er boven deze waarde zou gegaan worden zou de spanning over de batterij zeer hoog kunnen worden en voor gevaarlijke situaties kunnen zorgen. Deze waarde wordt voorlopig op 95% zodanig er nog een marge zou zijn en er steeds veilig gewerkt kan worden. SOC full = State Of Charge van 100% Dit is de parameter waarbij de batterij volledig opgeladen is. Deze waarde zal in de regeling echter nooit bereikt worden aangezien er een buffer behouden wordt. Tijd

74 Randvoorwaarde 2: continu of niet-continu bedrijf P verbruik P verbruik =P nom, ASM P verbruik =70%P nom, ASM Verbruik via WKK&batterijen Verbruik via WKK + opladen batterijen tot SOCmax Verbruik via batterijen Figuur 66: Continu of niet-continu bedrijf bij willekeurig belasting profiel P verbruik = Het actief ogenblikkelijk verbruikt vermogen Dit is het vermogen dat er ogenblikkelijk opgemeten wordt. P verbruik < 70% van P nom,asm = Niet-continu bedrijf Wanneer het verbruikte vermogen lager is dan 70% van P nom, ASM dan werkt de mini- WKK niet in continu bedrijf. De batterijen moeten zo vlug en efficiënt mogelijk opgeladen worden. Wanneer deze opgeladen zijn moet de WKK uitgeschakeld worden. De verbruikers zullen dan enkel gevoed worden door de batterijen. P verbruik > 70% van P nom,asm = Continu bedrijf Wanneer er meer verbruikt wordt dan 70% van P nom, ASM dan zal de mini-wkk wel volcontinu blijven werken en zal de WKK niet uitgeschakeld worden. Wanneer er boven de 70% van het P nom, ASM verbruikt wordt, is het echter energetisch interessanter om de verbruikers rechtstreeks door de ASM te voeden. Tijd Randvoorwaarde 3: Ideaal laadvermogen van de batterij P Charge P Ch_max_bulk P Ch_min_abs P Ch_max_fl SOC min SOC max_bulk SOC min_abs SOC max_flsoc max Figuur 67: Laadvermogen ifv SOC

75 De derde randvoorwaarde bij de regeling is die van het laadvermogen van de batterijen. Dit laadvermogen is niet het maximale, maar veeleer een ideaal laadvermogen waarbij de batterijen zo efficiënt mogelijk opgeladen worden. De grafiek zoals bovenstaande, werd bekomen door via het juiste laadprofiel de batterijen op te laden en al de waarden te loggen naar een bestand. Uit deze opgenomen grafiek kan men dan volgende gegevens halen voor de regeling: Deel 1: Bulkfase Het eerste deel noemt men de bulkfase. Hierin zal de stroom constant gehouden worden en zal de spanning stijgen tot zijn maximale waarde. De verschillende parameters die er nodig zijn uit dit deel worden dan: SOC min = Ondergrens van de regeling zoals gezien in randvoorwaarde SOC max_bulk = De SOC-waarde waarbij de bulkfase eindigt. Vanaf dit punt zal de spanning zijn maximum bereikt hebben en zal de bulkcharge eindigen. P ch_max_bulk = Het maximum laadvermogen in de bulkfase Op dit punt bekomt men het maximale laadvermogen dat het meest ideaal is om mee te laden. Deel 2: Absorptiefase In deel 2 zal de lader werken in zijn absorptiefase. In dit deel zal voor 1 à 2 uur, afhankelijk van het type batterij, de maximum spanning aangehouden worden. De stroom zal hierdoor stelselmatig dalen. De verschillende parameters die er nodig zijn uit dit deel worden dan: SOC min_abs = De SOC-waarde waarbij de absorptiefase beëindigd. Vanaf dit punt zal de absorptiefase afgelopen zijn en zal er overgegaan worden naar het laatste deel van de laadcyclus. P ch_min_abs = Minimale laadvermogen in de absorptiefase De absorptiefase verloopt van de maximum bij de bulkfase tot aan het minimum in de absorptiefase. Deel 3: Floatfase In deel 3, wat ook de laatste fase is in de laadcyclus, bevindt men zich in de floatfase. In dit deel wordt de spanning verlaagd en zal de batterij verder opgeladen worden. Het opladen verloopt hier met een lager vermogen tot de batterij volledig opgeladen zijn. De verschillende parameters die er nodig zijn uit dit deel worden dan: SOC max = Bovengrens van de regeling zoals gezien in randvoorwaarde 1. SOC max_fl = De SOC-waarde waarbij de floatfase start De SOC van het einde van de absorptiefase zal gelijk zijn aan de SOC van het begin van de floatfase. P ch_max_fl = Het maximum laadvermogen bij floatfase Aangezien de spanning verlaagd wordt zal bij de start van de floatfase het laadvermogen ook verkleinen.

76 FLOWCHART VAN DE REGELING Initialisatie communicatie SOC < SOC min JA Frequentie regeling P ASM=P xt_charger(bulk)+p verbruik SOC min < SOC < SOC max_bulk JA P verbruik < 70%P nom,asm JA Frequentie regeling P ASM=P xt_charger(bulk)+p verbruik NEE 70%P nom,asm < P verbruik < 100% P nom,asm JA Frequentie regeling P ASM=P verbruik BULK PHASE NEE NEE P verbruik > P nom,asm JA f min SOC max_bulk< SOC < SOC min_absorption JA P verbruik < 70%P nom,asm JA Frequentie regeling P ASM=P xt_charger(absorptie)+p verbruik NEE JA Frequentie regeling 70%P nom,asm < P verbruik < (1stap hoger) 100% P nom,asm P ASM=P verbruik P ASM ABSORPTION PHASE NEE NEE P verbruik > P nom,asm JA f min JA SOC min_absorption Frequentie regeling P < SOC < SOC verbruik < 70%P nom,asm Max P ASM=P xt_charger(float)+p verbruik JA NEE JA Frequentie regeling 70%P nom,asm < P verbruik < (2stappen hoger) 100% P nom,asm P ASM=P verbruik (2* P ASM) FLOAT PHASE NEE NEE P verbruik > P nom,asm JA f min NEE SOC > SOC max JA P verbruik < 70%P nom,asm JA f max WKK uit SOC < SOCmin JA WKK inschakelen NEE NEE 70%P nom,asm < P verbruik < P nom,asm JA Frequentie regeling (3stappen hoger) P ASM=P verbruik (3* P ASM) NEE P verbruik > P nom,asm JA f min Figuur 68: Flowchart regeling

77 REGELING De regeling werd opgesplitst in 5 delen op basis van de SOC. Hieronder zal elk deel apart grondig besproken worden Deel 1: SOC < SOCmin SOC < SOC min ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 69: Vermogensstroom bij deel 1 P verbruik < 70%P nomasm In dit deel zal de batterij zo snel mogelijk opgeladen moeten worden om boven de ondergrens van de werking te geraken. Onder de grens van SOC min zal de opstelling niet kunnen werken, omdat er niet genoeg vermogen meer is om de mini-wkk te laten opstarten, de omvormers te voeden en het reactief vermogen te voeden. Daarom wordt er gekozen om zo veel mogelijk vermogen te laden naar de batterij, zodanig de SOC niet onder deze grens zal blijven. De vermogensstroom zal er uitzien zoals in bovenstaande figuur. Het vermogen dat op de bus gezet wordt, zal dus afhankelijk zijn van het maximale laadvermogen dat er op dat moment op de bus kan gezet worden zoals gezien in randvoorwaarde 3. Hierbij wordt dan nog het verbruikt actief vermogen gesommeerd. Dit samen zal het vermogen zijn die er op de bus gezet wordt. P ASM = P xt_charger( bulk ) + P verbruik Aangezien de frequentie enkel in stappen van 0,1 Hz aangepast kan worden, zal het geproduceerde vermogen nooit gelijk kunnen zijn aan de som van beide. Daarom gaat men werken in stappen van 0% tot 10% van het maximale vermogen. Daartussen zal dan het gewenste geproduceerde vermogen moet liggen. o o o o P ASM: 0% - 10% van P ASM_nom f bus = 50,9 Hz P ASM: 10% - 20% van P ASM_nom f bus = 50,8 Hz P ASM: 20% - 30% van P ASM_nom f bus = 50,7 Hz

78 Deel 2: SOC min< SOC < SOCmax_bulk In deel 2 bevindt de SOC zich tussen de ondergrens en de bovengrens van de bulkfase. Aangezien de regeling zich in de bulkfase bevindt, zal het laadvermogen hier recht evenredig verlopen ten opzichte van de SOC. Aangezien er gewenst is dat het totale systeem zo exergetisch-efficiënt mogelijk werkt zal er vanaf dit deel een opsplitsing gebeuren op basis van het verbruikte vermogen zoals gezien in randvoorwaarde Deel 2a: Pverbruik < 70% van PASM,nom De mini-wkk moet zo goed mogelijk energetisch-efficiënt draaien. Daarom gaat er in dit deel voor gezorgd worden dat wanneer het verbruik lager is dan 70% van het maximaal geïnjecteerd vermogen, de mini-wkk niet efficiënt genoeg meer werkt. Onder deze grenswaarde wil men dat de batterijen zo vlug mogelijk volledig opgeladen worden zodanig de WKK uitgeschakeld kan worden. SOC < SOC min ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 70: Vermogensstroom bij deel 2a P verbruik < 70%P nomasm Aangezien de batterijen hier opnieuw zo vlug mogelijk moeten opgeladen worden, zal de vermogensstroom opnieuw het grootst zijn naar de batterijen. Aangezien de regeling in de bulkfase werkt, zal men hier de batterijen verder opladen totdat de maximale grens in de bulkfase bereikt is. Dit zal hier opnieuw gebeuren volgens onderstaande formule: P ASM = P xt_charger( bulk ) + P verbruik De regeling zal dan afhankelijk van de som van bovenstaande formule de frequentie op de bus aanpassen als volgende: o o o o P ASM: 0% - 10% van P ASM_nom f bus = 50,9 Hz P ASM: 10% - 20% van P ASM_nom f bus = 50,8 Hz P ASM: 20% - 30% van P ASM_nom f bus = 50,7 Hz

79 Deel 2b: 70% van PASM,nom < Pverbruik < PASM,nom Wanneer het verbruik hoger is dan 70% van het maximaal geïnjecteerd vermogen, dan mag de mini-wkk continue blijven draaien en zal er enkel een deel energie gebufferd moeten worden naar de batterij. Er wordt hier geprobeerd om zo goed mogelijk het verbruik af te stellen op de injectie. De batterijen zullen gebruikt worden om bij verschillende belastingsveranderingen, de energie te kunnen bufferen. De formule zal er dan als volgt uit zien: P ASM = P verbruik Aangezien de frequentie enkel in stappen van 0,1 Hz aangepast kan worden, kan een evenwicht bijna nooit bereikt worden. Er wordt daarom voor gezorgd dat bij elke stap er steeds een klein deel van de geïnjecteerde energie naar de batterij zal vloeien. Dit wordt geïllustreerd in onderstaande figuur. Afhankelijk van het verbruik zullen dan volgende frequenties op de bus gezet worden: o o o P ASM: 70% - 80% van P ASM_nom f bus = 50,2 Hz P ASM: 80% - 90% van P ASM_nom f bus = 50,1 Hz P ASM: 90% - 100% van P ASM_nom f bus = 50,0 Hz SOC min < SOC < SOC max SOC min < SOC < SOC max Batterij pakket Inverter/ Charger ASM ASM Batterij pakket Inverter/ P nomasm Charger > P verbruik > 70%P nomasm verbruikers verbruikers P Figuur 71: Vermogensstroom deel 2b nomasm > P verbruik > 70%P nomasm SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger P nomasm > P verbruik > 70%P nomasm verbruikers Figuur 72: Kortstondige vermogensstroom bij stijgend verbruik

80 Wanneer er echter verbruikers bijgeschakeld worden dan zal kortstondig het vermogen gevoed moeten worden zowel uit de batterijen als ook uit de WKK. De vermogensstroom zal dan verlopen zoals geschetst in figuur 72. Van zodra de regeling in werking is geschoten zal er opnieuw overgegaan worden naar de eerste situatie zoals te zien is in figuur Deel 2c: Pverbruik > PASM,nom Wanneer het verbruikte vermogen groter is dan het maximaal geïnjecteerd vermogen, dan zal zowel de WKK als de batterij, vermogen moeten leveren. Deze toestand zou zich niet lang mogen voordoen. De SOC zou, na een lange tijd in deze situatie te werken, kunnen dalen onder SOC min waardoor de werking van het hele systeem in gedrang komt. Het zou zich eventueel wel mogen voordoen om korte piekperiodes op te vangen. SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 73: Vermogensstroom deel 3a P verbruik > P nomasm Aangezien de WKK zijn maximale vermogen zal moeten leveren, zal de frequentie hier minimaal moeten zijn: o f min = 50 Hz Deel 3: SOCmax_bulk < SOC < SOCmin_abs Als de SOC groter wordt dan de maximale waarde in de bulk fase, dan zal de regeling overgaan naar de absorptiefase. Om in dit deel ideaal te werken zal vanaf hier de laadspanning constant op zijn maximale waarde gehouden worden en zal de laadstroom daardoor stelselmatig dalen. De gevolgde curve zal hierdoor anders zijn dan wanneer men in de bulkfase zou zitten. Dit staat verder verduidelijkt in randvoorwaarde 3. Opnieuw wordt hier de opdeling gemaakt volgens verbruikt vermogen Deel 3a: Pverbruik < 70% van PASM,nom SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers P verbruik < 70%P nomasm Figuur 74: Vermogensstroom deel 3a

81 68 Opnieuw wil men hier de batterijen zo efficiënt mogelijk gaan opladen. Daardoor zal de vermogensstroom naar de batterijen opnieuw het grootst zijn. Zoals er in de curve bij randvoorwaarde 3 te zien is bij absorptiefase, zal hier het vermogen naar de batterijen stelstelmatig dalen. Hierdoor zal de levensduur van de batterij niet verkorten. Het gewenste vermogen op de bus wordt gegeven door volgende formule: P ASM = P xt_charger( absorptie ) + P verbruik De regeling zal dan afhankelijk van de som van bovenstaande formule de frequentie op de bus opnieuw aanpassen als volgende: o o o o P ASM: 0% - 10% van P ASM_nom f bus = 50,9 Hz P ASM: 10% - 20% van P ASM_nom f bus = 50,8 Hz P ASM: 20% - 30% van P ASM_nom f bus = 50,7 Hz Deel 3b: 70% van PASM,nom < Pverbruik < PASM,nom Wanneer het verbruik groter is dan 70% van het nominaal geproduceerd vermogen die de mini-wkk maximaal kan leveren, zal de mini-wkk continu blijven draaien. Hier is het efficiënter om het verbruik onmiddellijk te voeden door de mini-wkk. Uit randvoorwaarde 3 weet men dat het grootste laadvermogen op het punt ligt waarbij de bulkfase overgaat naar de absorptiefase. Aangezien de batterijen hier voornamelijk gebruikt worden om overgangsverschijnselen te kunnen bufferen, gebeurt dit op een moment waarbij de batterijen zo veel mogelijk energie kunnen opnemen. Er wordt dus voor gezorgd dat de bufferwerking in de regeling zo veel mogelijk in de buurt van dit maximale punt ligt. Aangezien de SOC van de batterijen in dit deel groter is dan de SOC max_bulk van de batterijen, zal er moeten voor gezorgd worden dat de batterij een klein deel zal ontladen worden. De vermogensstroom naar de verbruikers zal daardoor zowel van de batterijen als van de mini-wkk moeten komen, zoals in onderstaande figuur weergegeven is. SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger P nomasm > P verbruik > 70%P nomasm verbruikers Figuur 75: Vermogensstroom deel 3b

82 In de bufferwerking wordt er normaal gesproken voor gezorgd dat het geproduceerde vermogen gelijk gesteld wordt aan het verbruikte vermogen. In dit deel zal het vermogen, geproduceerd door de mini-wkk, net iets kleiner gekozen worden zodanig dat er een vermogensstroom van de batterijen naar de verbruikers kan vloeien en de SOC max_bulk bereikt kan worden. Om dit te kunnen doen wordt de frequentie met 1 trap hoger ofwel met 0,1 Hz hoger gekozen, waardoor het geproduceerde vermogen net kleiner zal zijn dan het verbruikte vermogen. Hiervoor wordt de volgende formule gehanteerd: P ASM = P verbruik - ΔP ASM Hierbij is ΔP ASM het verschil in vermogen die verkregen kan worden bij een stap in de frequentie van 0,1 Hz. Afhankelijk van het verbruik zullen dan volgende frequenties op de bus gezet worden: 69 o o o P ASM: 70% - 80% van P ASM_nom f bus = 50,3 Hz P ASM: 80% - 90% van P ASM_nom f bus = 50,2 Hz P ASM: 90% - 100% van P ASM_nom f bus = 50,1 Hz Deel 3c: Pverbruik > PASM,nom Als het verbruikte vermogen groter is dan het maximaal geïnjecteerd vermogen, dan zal zowel de WKK als de batterij, vermogen moeten leveren. Opnieuw zal deze toestand zal zich niet lang mogen voordoen. De SOC zou, na een lange tijd in deze situatie te werken, kunnen dalen onder SOC min waardoor de werking van het hele systeem in gedrang komt. Het zou eventueel wel mogen voorkomen om korte piekperiodes op te vangen. SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 76: Vermogensstroom deel 3c P verbruik > P nomasm Aangezien de WKK zijn maximale vermogen zal moeten leveren zal de frequentie hier minimaal moeten zijn: o f min = 50 Hz

83 Deel 4: SOCmin_abs < SOC < SOCMax In deel 4 gaat de regeling over van de absorptie fase naar de floatingfase. De laadspanning zal opnieuw constant gehouden worden, maar met een verlaagde waarde. De laadstroom zal hierdoor nog verder dalen. De laadstroom zal blijven dalen tot wanneer de batterijen volledig opgeladen zijn. Opnieuw wordt er hier een opdeling in functie van het verbruikte vermogen gemaakt Deel 4a: Pverbruik < 70% van PASM,nom SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers P verbruik < 70%P nomasm Figuur 77: Vermogensstroom deel 4a Wederom wil men hier de batterijen zo efficiënt mogelijk gaan opladen. Daarom zal de vermogensstroom opnieuw het grootst zijn naar de batterijen toe. Zoals er in de curve bij randvoorwaarde 3 bij floatfase te zien is, zal hier het vermogen naar de batterijen stelstelmatig dalen tot de batterijen volledig opgeladen zijn. Het gewenste vermogen op de bus wordt gegeven door volgende formule: P ASM = P xt_charger( float ) + P verbruik De regeling zal dan afhankelijk van de som van bovenstaande formule, de frequentie op de bus opnieuw aanpassen als volgende: o o o o P ASM: 0% - 10% van P ASM_nom f bus = 50,9 Hz P ASM: 10% - 20% van P ASM_nom f bus = 50,8 Hz P ASM: 20% - 30% van P ASM_nom f bus = 50,7 Hz

84 Deel 4b: 70% van PASM,nom < Pverbruik < PASM,nom SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger P nomasm > P verbruik > 70%P nomasm verbruikers Figuur 78: Vermogensstroom deel 4b In deel 4b worden de batterijen opnieuw gebruikt als een buffer. Zoals men in deel 3b heeft gezien, wil men dat de bufferwerking rond de SOC max_bulk zal liggen. Aangezien in dit deel de batterijen al veel meer opgeladen zijn dan in het vorige deel is het hier moeilijker om grote vermogenssprongen op te vangen. Daarom wordt er ook hiervoor gezorgd dat het vermogen die de batterijen moet leveren groter zal zijn, zodanig dat de ideale waarde van de SOC sneller kan bereikt worden. Hiervoor wordt dan de volgende formule gehanteerd: P ASM = P verbruik (2 * ΔP ASM) Zoals er in bovenstaande formule te zien is, wordt er voor gekozen om het geproduceerde vermogen 2 stappen kleiner te kiezen. Anders gezegd betekent dit dat de frequentie verhoogd moet worden met 0,2 Hz. Hierdoor zal het vermogen, geleverd vanuit de batterijen, groter zijn dan in deel 3b waardoor de SOC max_bulk sneller bereikt zal worden. Afhankelijk van het verbruik zullen dan volgende frequenties op de bus gezet worden: o o o P ASM: 70% - 80% van P ASM_nom f bus = 50,4 Hz P ASM: 80% - 90% van P ASM_nom f bus = 50,3 Hz P ASM: 90% - 100% van P ASM_nom f bus = 50,2 Hz Deel 4c: Pverbruik > PASM,nom Hier geldt opnieuw dezelfde situatie als bij deel 3c en deel 2c. Wanneer het verbruikte vermogen groter is dan het maximaal geïnjecteerd vermogen dan zal, zowel de WKK als de batterij, vermogen moeten leveren. Opnieuw zal deze toestand niet lang mogen plaatsvinden. De SOC zou, na een lange tijd in deze situatie te werken, kunnen dalen onder SOC min waardoor de werking van het hele systeem in het gedrang komt. Het zou eventueel wel mogen voorkomen om korte piekperiodes op te vangen.

85 72 SOC min < SOC < SOC max ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 79: Vermogensstroom deel 4c P verbruik > P nomasm Aangezien de WKK zijn maximale vermogen zal moeten leveren, zal de frequentie hier ook minimaal moeten zijn: o f min = 50 Hz Deel 5: SOC > SOCMax In dit deel heeft de SOC de bovengrens bereikt. De batterijen kunnen niet meer verder opgeladen worden, aangezien men dan gevaarlijke situaties zouden verkrijgen. Opnieuw zal er een opsplitsing gemaakt worden op basis van het verbruikte vermogen Deel 5a: Pverbruik < 70% van PASM,nom SOC max < SOC ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 80: Vermogensstroom deel 5a P verbruik < 70%P nomasm Wanneer het verbruik lager is dan 70% van het maximaal geïnjecteerd vermogen, is het niet energetisch efficiënt genoeg om de WKK vol continue te laten draaien. Aangezien in deze situatie de batterijen volledig opgeladen zijn, zal de WKK uitgeschakeld worden en de verbruikers voeden via de batterijen. Eerst zal de frequentie op 51 Hz gezet worden zodat er geen vermogen meer geleverd kan worden. Daarna zal de WKK uitgeschakeld worden. De verbruikers zullen enkel en alleen gevoed worden door de batterijen. Dit zal gebeuren tot wanneer de SOC min bereikt is. Van zodra de grens bereikt is moet de WKK terug ingeschakeld worden en gaat men terug over naar deel 1.

86 Deel 5b: 70% van PASM,nom < Pverbruik < PASM,nom ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 81: Vermogensstroom deel 5b P nomasm > P verbruik > 70%P nomasm In deel 5b worden de batterijen opnieuw gebruikt als een buffer. Zoals men in deel 3b heeft gezien, wil men dat de bufferwerking rond de SOC max_bulk zal liggen. Opnieuw zal ervoor gezorgd moeten worden dat er een deel van het vermogen geleverd wordt door de batterijen. Aangezien hier de bovengrens bereikt is, is er geen plaats meer om vermogenssprongen op te kunnen vangen zoals te zien is in onderstaande figuur. De bovengrens van de SOC werd niet op 100% gekozen zodanig dat er toch nog een buffer is om kortstondige overgangen te kunnen opvangen. Het vermogen dat gebufferd kan worden zal hier wel niet groot kunnen zijn. ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 82: Niet-gewenste vermogensstroom P nomasm > P verbruik > 70%P nomasm Daarom wordt er hier opnieuw voor gezorgd dat het vermogen die de batterijen moet leveren groter zal zijn zodat deze situatie zo snel mogelijk verlaten kan worden. Het gewenste vermogen op de bus zal dan volgende formule hebben: P ASM = P verbruik (3 * ΔP ASM) Zoals te zien is in bovenstaande formule, wordt er voor gekozen om het geproduceerde vermogen nu 3 stappen kleiner te kiezen. De frequentie zal dus verhoogd worden met 0,3 Hz. Afhankelijk van het verbruik zullen dan volgende frequenties op de bus gezet worden: o o o P ASM: 70% - 80% van P ASM_nom f bus = 50,6 Hz P ASM: 80% - 90% van P ASM_nom f bus = 50,5 Hz P ASM: 90% - 100% van P ASM_nom f bus = 50,4 Hz

87 Deel 4c: Pverbruik > PASM,nom Hier geldt opnieuw dezelfde situatie als bij deel 4c, deel 3c en deel 2c. Wanneer het verbruikte vermogen groter is dan het maximaal geïnjecteerd vermogen, zal zowel de WKK als de batterij, vermogen moeten leveren. Opnieuw zal deze toestand niet lang mogen aanhouden. De SOC zou, na een lange tijd in deze situatie te werken, kunnen dalen onder SOC min waardoor de werking van het hele systeem in het gedrang komt. Het zou eventueel wel mogen voorkomen om korte piekperiodes op te vangen. Aangezien de WKK zijn maximale vermogen zal moeten leveren zal de frequentie hier ook minimaal moeten zijn: o f min = 50 Hz

88 75 6 SCADA-SYSTEEM Aangezien de regeling binnen de omvormers niet voldoet aan de vereisten van het systeem moest er op zoek worden gegaan naar andere mogelijkheden om de bekomen regeling te kunnen implementeren. SCADA is een afkorting die staat voor Supervisory Control And Data Acquisition. Een SCADA - systeem bestaat meestal uit software die gegevens kan lezen of toeschrijven vanuit een machine naar besturingseenheden of computers. Een SCADA-systeem zorgt ervoor dat de gegevens die de machine, ofwel hier de omvormers, uitsturen leesbaar worden voor de gebruikspersonen. Hierdoor kan men met de gegevens die verkregen worden, ofwel de machine verder aan sturen, ofwel de gegevens loggen om zo een rapport te kunnen vormen over de werking van de machine. Om de bekomen regeling te kunnen uitvoeren zal het SCADA-systeem zowel de SOC van de batterijen als het actief verbruikt vermogen moeten kunnen opvragen. Met deze gegevens zou dan in het SCADA-systeem de regeling kunnen uitgewerkt worden om zo de frequentie van de omvormers als ook de AC-bus te kunnen sturen. In dit deel zal verduidelijkt worden hoe een volledig werkend SCADA-systeem bekomen is en zal er verklaart worden hoe alle gegevens bekomen worden aan het SCADA-systeem. 6.1 COMMUNICATIEMODULE XCOM-232I De communicatiemodule Xcom-232i van Studer is uitgerust met een seriële poort RS232. De communicatiemodule kan gegevens uit de Xtenders opvragen en de configuratieparameters van de Xtenders aanpassen. [33] Door gebruik te maken van deze communicatiemodule is het mogelijk om de Xtenders te connecteren aan een SCADA systeem. Het biedt de mogelijkheid om de parameters van de Xtenders dynamisch aan te passen vanuit een ander systeem. Figuur 84: Xcom-232i communicatiemodule [36] Figuur 83: Aansluiting communicatiemodule [36]

89 XTENDER SERIEEL PROTOCOL Aangezien het SCADA-systeem de gewenste gegevens moet kunnen opvragen en toeschrijven naar de communicatiemodule, moet dit op de juiste manier opgevraagd worden. Studer heeft hiervoor een Xtender protocol ontwikkeld waarmee gewerkt moet worden om te kunnen communiceren met de Xcom-232i. Het protocol bestaat uit een aantal bytes in hexadecimale waarde. Hieronder wordt het volledige protocol verder uitééngezet. [40] Aansluitingen van de connectoren Om communicatie tussen het SCADA-systeem en de communicatiemodule op te kunnen zetten is het eerst belangrijk om de juiste verbinding tussen beide te maken. De kabel moet uitgerust zijn met de gebruikelijke DB-9 connector zoals afgebeeld in figuur 3. In de technische specificaties van het Xtender serieel protocol is te vinden dat er slechts 3 connectorpins moeten aangesloten worden. In onderstaande tabel zijn de verschillende pinnen weergegeven die aangesloten mogen worden. Figuur 85: RS232 DB-9 connector RxD = Receive Data TxD = Transmit Data GND = Ground Figuur 86: aan te sluiten pinnen [37] [38] Zoals men kan zien zijn enkel pin 2,3 en 5 aan te sluiten. Dit zijn enkel de pinnen waarop data verstuurd en ontvangen wordt en de ground. Het seriële protocol is hierdoor vrij eenvoudig gehouden, aangezien er geen gebruik is gemaakt van de andere pinnen die dienen ter controle van het verzonden signaal. In de technische specificaties is ook te vinden dat de kabel straight moet zijn. Dit betekent dat de kabel aan beide uiteinden aan dezelfde pinnummer geconnecteerd moeten worden.

90 77 Figuur 87:Straight trough cable [38] Er bestaan ook types waarbij een null-modem kabel gebruikt zou moeten worden. Hierbij zou de kabel getwist moeten worden en zal de transmitter aangesloten worden op de receiver aan het andere uiteinde van de kabel. Figuur 88: Null modem cable [38] Initialisatie van de seriële communicatie Als ervoor gezorgd moet worden dat het SCADA-systeem kan communiceren met de omvormers dan moet het SCADA-systeem weten hoe de communicatie zal verlopen. In de datasheet kan men vinden dat de communicatie opgezet wordt via de USART configuratie. USART betekent Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver/ Transmitter. Hiermee wordt bedoeld dat de communicatie zowel synchroon als asynchroon kan gebeuren. Bij synchrone communicatie zorgen men ervoor dat de klok van zowel de receiver als de transmitter gelijk zijn. Hierdoor kan de tijd die nodig is om het signaal te versturen bepaald worden en wordt er bekeken of het volledige signaal ontvangen of verstuurd is. Bij asynchrone communicatie zal de klok niet gelijk gesteld worden. Hierbij gaat men via een start- en stopbit de verzonden data starten en afsluiten waardoor zowel de receiver als de transmitter weet wanneer het volledige signaal verzonden of ontvangen is. Hieronder staan de gegevens waarmee de seriële communicatie in dit systeem opgezet kan worden: Baudrate: bps Dit is de hoeveelheid bits die er pers seconde over de seriële bus gecommuniceerd kan worden. 1 Start bit Een start bit om duidelijk te maken dat het signaal hier start. 8 bit of data, LSB first De verzonden data zal bestaan uit 8bit waarbij de LSB (Least Significant Bit) eerst verstuurd zal worden. Dit betekent dat er eerst de meest rechtse bit zal doorgestuurd worden en daarna de volgende.

91 78 1 parity bit, even parity De pariteit bit wordt gebruikt om fouten in de communicatie op te sporen. In deze seriële communicatie wordt er gekozen om te werken met even pariteit. Dit betekent dat zolang de pariteit bit even is, er geen fout gebeurt zou zijn. Wanneer de pariteit bit oneven wordt dan zal een fout gedetecteerd worden. 1 Stop bit De stop bit wordt gebruikt om aan te duiden dat het verzonden of ontvangen signaal beëindigd is Volledig frame protocol Om te kunnen communiceren tussen SCADA-systeem en omvormer moeten er volgens het exacte protocol, zoals beschreven staat in de technische specificaties van het Xtender protocol, worden te werk gegaan. Hierin staat dat het volledige protocol opgebouwd wordt uit een header frame en een data frame. In het header frame komen de gegevens die belangrijk zijn voor de communicatie tussen beide, zoals de lengte van de verzonden of ontvangen data. In het data frame zal de data staan die er verzonden zal worden. De grootte van het data frame zal afhankelijk zijn van de data die men wil versturen of opvragen. Figuur 89: Volledig frame protocol [39] Header frame Het header frame bestaat altijd uit 14 bytes. Zoals hiervoor reeds besproken geweest is zal het header frame bepalend zijn voor de communicatie tussen het SCADA-systeem en de omvormers, maar zal nog niets van data of gegevens mee geven. In het header frame worden er volgende gegevens terug gevonden: Startbyte: 1 byte De startbyte is altijd AA en geeft de start aan van het verzonden of te versturen frame. Frame-flags: 1 byte De frame-flags geven informatie weer over de Xcom-232i communicatiemodule. Aangezien 1 byte gelijk is aan 8 bit zal elke bit een betekenis hebben. Wanneer het SCADA-systeem een vraag stelt aan de communicatiemodule zullen de frame-flags uiteraard 00 zijn.

92 79 Hieronder vindt u de verschillende betekenissen per byte weer: o Bit 7 6: De laatste 2 bits geven niets weer en zijn onbepaald. o Bit 5: Deze bit zal hoog zijn wanneer de datalogger in de communicatiemodule gebruikt wordt. o Bit 4: Deze bit zal hoog gezet worden van zodra er een nieuwe datalogger file opgeslagen wordt op de SD-kaart van de communicatiemodule. o Bit 3: Wanneer er niet genoeg geheugen meer is op de SD-kaart zal deze bit hoog gezet worden. o Bit 2: Bit 2 zal hoog zijn van zodra de SD-kaart aanwezig is de communicatiemodule. o Bit 1: Wanneer er een reset gebeurd is op de remote control van de omvormers zal deze bit hoog worden. o Bit 0: Deze bit zal hoog zijn van zodra er berichten weer te geven zijn. SRC_ADDR: 4 byte SRC_ADDR staat voor source adres. Deze 32 bit waarde bepaald de afkomst van het verzonden telegram. Het adres van de Xtenders begint altijd bij 101 voor Xtender1, is 102 voor Xtender2 en eindigt bij 103 voor Xtender3. Het adres van het SCADA-systeem zal altijd adres 1 zijn. DST_ADDR: 4 bytes DST_ADDR staat voor destination adres. Deze 32 bit waarde bepaald waar het telegram naar verzonden wordt. Dezelfde adressen als bij SRC_ADDR zijn hier geldig. Wanneer er echter alle Xtenders tegelijkertijd moeten aangesproken worden, is het aangeraden om het broadcast adres te gebruiken, namelijk adres 100. Data_length: 2 bytes Hierin staat de hexadecimale waarde voor de grootte van het data frame zonder de checksum van het data frame. De grootte is dus enkel en alleen afhankelijk van de verstuurde of ontvangen data. Hiertoe behoort dus niet de checksum van het dataframe. Header checksum: 2 bytes De checksum is een controlecijfer dat gebruikt wordt om een soort van redundantie in te bouwen, maar dan zonder alle data opnieuw door te sturen. De checksum is een getal, samengesteld uit een bepaald algoritme, bestaande uit alle voorgaande data. De checksum zorgt dus voor een extra controle in het telegram.

93 80 De header checksum zal bestaan uit de bytes vanaf de frame_flags tot de data_length. Checksum algoritme: [40] Aangezien de checksum bestaat uit 2 getallen, zullen er 2 berekeningen moeten uitgevoerd worden met de voorgaande data. De 2 bytes krijgen de naam A en B en krijgen een beginwaarde mee. Beginwaarde: A 0 = 0xFF B 0 = 0 DATA 0 = 0 Het algoritme worden berekend op volgende manier: FOR x FROM 0 TO (totaal_aantal_bytes 1) DO A x = ( A x-1 + DATA x ) mod 0x100 B x = ( B x-1 + A x ) mod 0x100 END Hierbij zal x steeds vermeerderd worden met 1 tot wanneer de totaal aantal bytes van alle data bereikt wordt. De eindwaarde voor A en B zullen dan de waardes zijn voor de 2 bytes van de checksum Data frame Het data frame bestaat steeds uit een aantal bytes dat afhangt of er een waarde moet geschreven of opgevraagd worden. Hierbij is het dan ook nog eens afhankelijk of er een vraag naar de omvormers gestuurd wordt of er een antwoord verkregen wordt. Daarom zal men de verschillende bytes bekijken afhankelijk van de situatie. De data_checksum zal via hetzelfde algoritme berekend worden zoals hiervoor gezien. Figuur 90: Data frame [39] Uitlezen van data Wanneer men bepaalde gegevens uit de omvormers willen weten dan moet het SCADAsysteem deze gegevens opvragen door een vraag te sturen naar de omvormers. De frame_data van de vraag zal er dan als volgt uit zien: Figuur 91: Frame_data vraag bij uitlezen van data [39] Hierbij krijgt men 10 bytes aan data die als volgt verdeeld zijn:

94 81 Service_flags: 1 byte De service_flags vertellen over welk soort data het hier gaat. Hierbij worden enkele de 2 eerste bits gebruikt. o Bit 1: Dit is de response flag. Wordt er een vraag naar de omvormers gestuurd dan zal deze bit laag zijn. Krijgt men een antwoord van de omvormers dan zal deze vlag hoog zijn. o Bit 0: Dit is de error flag. Wanneer er een vraag verstuurd wordt zal deze altijd 0 zijn. Wanneer er dus een vraag gesteld wordt om bepaalde gegevens te ontvangen dan zal dit altijd gelijk zijn aan 0x00. Service_id: 1 byte De service_id geeft aan het telegram mee wat de bedoeling van dit telegram is. In dit geval is het de bedoeling om een waarde uit de omvormers uit te lezen. Wanneer er een waarde uitgelezen moet worden spreken men van een READ_PROPERTY. READ_PROPERTY = 0x01 Object_type: 2 bytes Het object_type geeft aan het data frame mee welke soort informatie er opgevraagd zal worden. Dit kunnen gegevens zijn van parameters of bijvoorbeeld foutmeldingen die er opgevraagd worden. In dit systeem wil men enkel gegevens uitlezen die afkomstig zijn vanuit de battery status processor (BSP). Het gepaste object type hiervoor is: User_info = Object_id: 4 bytes Het object_id bepaald welk object of welke parameter er uitgelzen zal worden. Alles wat men kan uitlezen heeft een aparte parameter die hier moet ingesteld worden. Wanneer men bijvoorbeeld de SOC wil opvragen dan krijgt men de volgende parameter: 7002 Deze parameter zal in het data frame omgevormd zijn naar een IEEE754 hexadecimale waarde, namelijk 45 DA D0 00. Property_id: 2 bytes De property_id geeft mee wat de eigenschappen zijn van het uit te lezen object. Dit kunnen floating point waardes, booleaanse waarde, integer waarde, zijn. In dit systeem maakt men enkel gebruik van floating point waardes. De bytes in het data frame zullen gelijk zijn aan: Wanneer men nu het volledige pakket aan data van zowel de header frame als het data frame wil verzenden vanuit het SCADA-systeem naar de communicatiemodule, zou men een antwoord moeten krijgen waarin de waarde van de opgevraagde parameter staat.

95 82 De frame_data zal er dan als volgt uit zien: Figuur 92: Frame_data antwoord bij uitlezen van data [39] Hierbij krijgt men 14 bytes aan data die als volgt verdeeld zijn: Service_flags: 1 byte De service_flags vertellen net zoals hiervoor over het soort van data het. Hierbij worden enkel de 2 eerste bits gebruikt. o Bit 1: Dit is de response flag. Wordt er een antwoord van de omvormers verkregen dan zal deze vlag hoog zijn. o Bit 0: Dit is de error flag. Wanneer er zich een error voordoet zal deze hoog zijn. Bij een antwoord van de omvormers kan men zo snel weten of er een error zich heeft voorgedaan. Wanneer er dus een antwoord van de omvormers verkegen wordt zal de service_flags volgende waarde hebben: 0x02. Service_id: 1 byte De service_id hangt enkel af of er een waarde opgevraagd moet worden of er een waarde verzonden moet worden. Zowel bij de vraag als het antwoord zal deze hetzelfde blijven. READ_PROPERTY = 0x01 Object_type: 2 bytes Ook het object_type zal zowel bij de vraag als het antwoord hetzelfde blijven. Het gepaste object type hiervoor is: User_info = Object_id: 4 bytes Ook het object_id zal zowel bij de vraag als het antwoord hetzelfde blijven. Wanneer men bijvoorbeeld de SOC wil opvragen dan krijgt men volgende parameter: 7002 Deze parameter zal in het data frame omgevormd worden naar een IEEE754 hexadecimale waarde, namelijk 45 DA D0 00. Property_id: 2 bytes Het property_id zal ook hier hetzelfde gebleven zijn. De bytes die in het data frame zullen staan, zullen gelijk zijn aan: Property_data: 4 bytes In de property_data vindt men de gewenste waarde die er opgevraagd zal worden uit de omvormers. Deze waarde zal een IEEE754 hexadecimale waarde zijn bestaande uit 4 bytes. Wanneer er zich toch een error voordoet die geïdentificeerd kan worden in de frame_flags, dan zal de data enkel 2 bytes bevatten die de error specificeren.

96 Verzenden van data Wanneer er nu data verzonden moet worden naar de omvormers om bijvoorbeeld parameters dynamisch te kunnen wijzigen zal men opnieuw een vraag moeten verzenden waarop er een antwoord verkregen zal worden. De vraag die er verstuurd zal worden zal er als volgt uitzien: Figuur 93: Frame_data vraag bij verzenden van data [39] De opbouw zal hier hetzelfde zijn als bij het uitlezen van data, alleen wordt er hier de waarde aan toe gevoegd die er geschreven zal worden naar een bepaalde parameter. Enkel het service_id zal hier veranderen van READ_PROPERTY naar WRITE_PROPERTY en zal dus 0x02 worden. Wanneer de vraag verzonden is zal onmiddellijk erna een antwoord verkregen worden dat er als volgt zal uitzien: Figuur 94: Frame_data antwoord bij verzenden van data [39] Het antwoord dat er ontvangen zal worden zal bij het verzenden van data enkel nog gebruikt worden om te kijken of er zich fouten hebben voorgedaan. Wanneer er zich dan een fout voordoet zal de error bit in de service_flags hoog zijn. De property_data zal dan bestaan uit 2 bytes die informatie mee geven over de aard van de fout. Wanneer er zich geen fouten hebben voor gedaan en de error bit in de service_flags niet hoog is, dan zal de property_data gelijk zijn aan en 0x00 en dus zelfs niet verzonden worden. Het antwoord zal dan bestaan uit 10 bytes.

97 BATTERIJ STATUS PROCESSOR (BSP) Om de bekomen regeling te kunnen opbouwen moet de SOC van de batterijen kunnen opgevraagd worden. Dit gebeurt aan de hand van de Battery Status Processor ofwel BSP genoemd. In het SCADA-systeem wordt de BSP van hetzelfde merk als de omvormers (van Studer) gebruikt. De digitale afdruk kan dan via de Remote Controle Centre (RCC) ingesteld worden. Door middel van parameters 6055 en 6056 kunnen deze ingesteld. Figuur 95: SOC vs werkelijke SOC voor BSP-Studer [40] Figuur 96: BSP van Studer [40] De BSP staat in verbinding met de remote control (RCC), de omvormers als ook de communicatiemodule Xcom-232i. De BSP meet de stroom door de spanningsval over een shuntweerstand die aan de batterij wordt aangesloten te meten. De BSP zal ook de batterijspanning aan de klemmen van de batterij meten. Deze waarden worden dan via de BSP gebruikt om verschillende berekeningen mee te doen.

98 85 Figuur 97: aansluiting BSP en shunt [40] De BSP kan onder meer de volgende zaken meten/berekenen: SOC; Spanning; Stroom; Resttijd van de batterij; Energie doorgevoerd; Batterij temperatuur. Deze waarden kunnen via de communicatiemodule afzonderlijk uitgelezen worden door het SCADA-systeem Digitale afdruk verbeteren Om de digitale afdruk van de batterij zo goed mogelijk te laten kloppen met de werkelijke batterij worden er een aantal instellingen voorzien door de BSP, dit als een soort van correctie. Hier wordt een beknopte beschrijving gegeven van de voornaamste correcties waar de BSP rekening zal mee houden: Door activatie einde van het laden synchronisatie : Met behulp van parameter 6042 wordt de synchronisatie functie bij 100% SOC geactiveerd. Als de spanning, de stroom en minimum oplaadtijd van de batterij wordt

99 86 overschreden wordt de BSP getriggerd om de digitale afdruk ook op 100% SOC te plaatsen. Zelf ontlading rating: De zelf ontlading kan met parameter 6019 in rekening gebracht worden. Nominale temperatuur: De batterij parameters zijn bij een bepaalde temperatuur bepaald door de producent. Met parameter 6020 is het mogelijk om deze temperatuur aan te passen. Temperatuur coëfficiënt: De aanwezige capaciteit vermindert met daling van de temperatuur. Via parameter 6021 kan zal dit in rekening gebracht worden. Oplaad efficiëntie Bij het ontladen zal er niet evenveel Ah vrijkomen als wat er opgeladen werd, met parameter 6022 wordt met dit verlies rekening gehouden. Peuckert s exponent De capaciteit varieert afhankelijk van de ontlaadstroom van de batterij. De actieve substantie in de batterij heeft tijd nodig om zich te verspreiden in de cellen en een snelle ontlading leid tot capaciteit vermindering. Voor het converteren van de capaciteit bij een specifieke ontladingstijd tot een andere kan de Peuckert formule gebruikt worden: C = C ref ( I ) n 1 peuckert I ref Daarbij zijn C ref en I ref de capaciteit bij een gegeven stroom. n peuckert varieert bij elk type batterij maar is gemiddeld Met ander woorden hoe hoger de C-rating, hoe trager een batterij met dezelfde capaciteit ontladen wordt en hoe meer capaciteit er beschikbaar is ten opzichte van de referentie capaciteit. [33] Bepalen van de SOC Met bovenstaande correcties zal er dus rekening gehouden worden, maar hoe precies wordt volgens Studer als volgt omschreven: een geavanceerd algoritme in de BSP voorzien voor het bepalen van de SOC in real time, om het gebruik van de batterij te optimaliseren. Helaas staat er niet verder bij welk algoritme dit precies is. Na verder contact opgenomen te hebben met Studer is er te weten gekomen dat er gebruik gemaakt wordt van Coulomb telling, m.a.w. het algoritme is dan een combinatie dat rekening houd met coulomb telling en bovenstaande correcties Coulombtelling Het bepalen van de SOC kan gebeuren door middel van een openklem spanningsmeting, maar deze is onnauwkeurig. De materialen waaruit de cel zijn opgebouwd en de temperatuur kan de spanning beïnvloeden. Ook zal er zich een fout voordoen wanneer er op- of ontladen wordt aangezien dit de chemie van de batterij zal verstoren. De batterij moet dan enkele uren kunnen rusten voordat er een correcte openklemspanning kan gemeten worden. [34] Een veel gebruikte methode is de coulombtelling zoals in de inleiding al aangehaald is. Gebaseerd op de stroom die in en uit de batterij gaat, worden de coulombs geteld. Vermits dat 1C = 1A*1s, zal bv. de teller na een stroom van 1A die gedurende 1uur vloeit op 3600C staan.

100 87 Figuur 98: principe van de Coulomb telling [42] Maar door verliezen bij het op- en ontladen van een batterij en door zelfontlading, zal de energie die uit de batterij vloeit altijd kleiner zijn dan de energie die erin komt. Daar dient de BSP rekening mee te houden. Dus de coulombtelling alleen kan onnauwkeurigheden veroorzaken, daarom wordt er best ook de veroudering van de batterij en de temperatuur gebaseerde zelf ontlading in rekening gebracht. Hier blijft echter periodische kalibratie noodzakelijk. Om dit te vermijden, moet het systeem kunnen leren. Dit wil zeggen dat er geraamd wordt hoeveel energie de batterij leverde in de vorige ontlading. Om het verouderingsproces van een batterij in rekening te kunnen brengen, kan de oplaadtijd gemeten worden. Verouderde batterijen laden namelijk sneller op t.o.v. de nieuwe Besluit BSP Het bepalen van de SOC zal gebeuren via de coulombtelling die niet als nauwkeurig kan aanvaard worden. Door de verschillende correcties die de BSP doet op de waarde van de coulombtelling, wordt deze waarde toch nauwkeuriger. De waarde van de SOC die de BSP zal geven zal dus het dichtste bij de reële waarde liggen. Hierdoor wordt er vanuit gegaan dat de SOC die opgevraagd wordt, voldoet om te gebruiken in de bekomen regeling.

101 METING ACTIEF VERBRUIKT VERMOGEN Figuur 99: Socomec Diris A40 [43] Om het actief verbruikt vermogen te kunnen meten, wordt gebruik gemaakt van de Diris A40 van het merk Socomec. De Diris A40 is een meetmodule die via stroom en spanningsmeting verschillende gegevens kan op meten. De volgende grootheden kunnen gemeten worden: Spanning Stroom Frequentie Actief vermogen Reactief vermogen Schijnbaar vermogen Power factor kwah, kvarh, kvah Uit de Diris A40 kan dan, via een extra module zoals te zien is in bovenstaande figuur, een signaal, 0 20 ma doorgegeven worden dat overeenstemt met het verbruikte actief vermogen. Dit stroomsignaal wordt dan door het SCADA-systeem ingelezen. Op basis van dit signaal kan er dan omgerekend worden in het SCADA-systeem wat het ogenblikkelijk actief verbruikt vermogen is en kan gebruikt worden om de bekomen regeling uit te voeren. De Diris A40 heeft een groot scherm waarop alle gemeten en berekende waarde ook ogenblikkelijk weergegeven kunnen worden. Dit geeft in deze opstelling een extra voordeel in het visueel voorstellen van wat er gemeten wordt.

102 PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER (PLC) Analoge uitgang: P verbruik RS-232 communicatie blok SOC opvragen Frequentie verzenden Figuur 100: Saia PCD3 Compact [44] Als kloppend hart van dit SCADA-systeem werd gekozen om te werken met een PLC, namelijk de Saia PCD3 Compact. Aangezien E. Van Wingen voornamelijk werkt met Saia PLC s werd er dan ook voor gekozen om met deze fabrikant te werken. De Saia PCD3 Compact beschikt over 20 digitale ingangen,12 digitale uitgangen,4 analoge ingangen en 2 analoge uitgangen. Om gebruik te kunnen maken van seriële communicatie werd er nog een extra communicatiekaart aangesloten, zodanig dat het mogelijk was om via het serieel protocol te communiceren met de communicatiemodule. Er is gekozen om te werken met de Compact versie aangezien deze PLC klein in formaat is en daardoor in de schakelkast kan geïntegreerd worden. Een ander voordeel van de Compact versie is dat er geen extra kaarten moeten gebruikt worden omdat de PLC al voorzien is van I/O modules binnenin. Om de bekomen regeling uit te voeren, wordt er gebruik gemaakt van 1 analoge uitgang om het actief verbruikt vermogen te meten. Daarnaast wordt er ook gebruik gemaakt van de RS-232 communicatie blok zoals aangeduid in bovenstaande figuur. Aan deze blok zal de RS232 communicatiekabel aangesloten worden volgens het straight-trough principe Integratie regeling in PLC Om de bekomen regeling te integreren in de PLC is er te werk gegaan op basis van een afloopsturing of bij Saia PLC s, Grafcet genaamd. Door op deze manier te werk te gaan wordt er rekening gehouden met het serieel protocol waarbij er steeds gewacht moet worden op het te ontvangen antwoord. Wanneer via Instruction List zou worden gewerkt, dan ziet men dat er niet gewacht zal worden op een antwoord, waardoor op zijn beurt het programma vastloopt. In onderstaande figuur wordt de bekomen regeling, opgesteld in een afloopsturing, voorgesteld. Om te verduidelijken wat de grote stappen zijn, is de regeling verdeeld in 3 grote delen die elk apart kort verduidelijkt zullen worden. Voor een vollediger overzicht van de bekomen regeling opgesteld als afloopsturing wordt er verwezen naar de bijlage.

103 90 Deel 1 Deel 2 Deel 3 Figuur 101: Volledige regeling opgesteld in afloopsturing Deel 1: Initialisatie communicatie en laden van gegevens Figuur 102: Deel1: Initialisatie communicatie en laden van gegevens In het eerste deel wordt er gestart met het initialiseren van de seriële communicatie. Hiermee wordt bedoeld dat er eerst voor gezorgd wordt dat de PLC weet hoe het signaal op de communicatie bus wordt opgebouwd en hoe erop verzonden moet worden. In de volgende stap worden, alle gegevens die het serieel protocol opbouwen, in registers geladen voor zowel de vraag van de SOC als voor de verschillende frequenties die er verstuurd moeten worden. Het actief verbruikt vermogen zal hier ook omgevormd worden

104 91 naar zijn decimale waarde waarmee gerekend kan worden. De verschillende vermogens waarmee vergeleken moet worden zullen hier ook in registers geladen worden. In de volgende 3 stappen zal de vraag van SOC verzonden worden over de bus en wordt er gewacht tot wanneer er een antwoord binnenkomt. In de laatste stap wordt dan uit het antwoord de SOC gehaald en omgevormd tot een bruikbaar getal waarmee gerekend kan worden Deel 2: Keuzes en berekeningen obv SOC en Pverbruik Figuur 103: Deel 2: Keuzes en berekeningen obv SOC en Pverbruik In deel 2 komt de uiteindelijke regeling zelf te staan. Er wordt, zoals hiervoor in de flowchart te zien was, begonnen bij een eerste opsplitsing op basis van de SOC. Nadien wordt er een verdere opsplitsing gemaakt op basis van het actief verbruikte vermogen. Behalve in de laatste tak zal hier steeds een berekening gebeuren die bepaald hoe groot het geproduceerde vermogen moet zijn. Dit vermogen wordt dan gebruikt om in deel 3 een keuze te maken tussen de verschillende frequenties. In de laatste tak bevindt de regeling zich in het deel waarbij de uitschakeling van de WKK gewenst is. Hier moet zo snel mogelijk de frequentie op de bus op 51 Hz gezet worden zodanig dat er geen energie mee geïnjecteerd kan worden. De eerste twee stappen in deze tak zullen dus het verzenden van de frequentie zijn, alsook het ontvangen van een antwoord dat de frequentie verzonden is. In de volgende stap wordt er dan een signaal verzonden die er voor zorgt dat de WKK zal uitschakelen. In de volgende 4 stappen wordt opnieuw de SOC opgevraagd. De regeling zal dit blijven doorlopen tot wanneer de SOC onder zijn gekozen minimum gaat. Nadien wordt er opnieuw een signaal verzonden naar de WKK waardoor deze opnieuw kan opstarten en wordt er teruggegaan naar de initiële stap Deel 3: Bepalen en verzenden van de frequentie op het net Op basis van het berekende vermogen uit deel 2 zal in deze stap eerst de frequentie gekozen worden. Daarna zal deze frequentie via de seriële bus verzonden worden naar de omvormers. Als laatste stap wordt er nog gewacht op een antwoord van de omvormers zodat er geen fouten kunnen gebeuren. Nadien zal men teruggaan naar de initiële stap.

105 92 Figuur 104: Deel 3: Bepalen en verzenden van de frequentie op het net 6.6 SAMENVATTING SCADA-SYSTEEM Het SCADA-systeem, dat ontworpen is voor deze toepassing, zal dus bestaan uit een PLC die via een seriële verbinding kan communiceren met de omvormers via de communicatiemodule. De BSP (Battery Status Processor) zal de SOC van de batterijen opmeten en deze waarden doorgeven aan zowel de omvormers als de communicatiemodule. Door middel van het beschreven serieel protocol te gebruiken is de PLC dan in staat om de SOC op te vragen. Het actief verbruikt vermogen wordt opgemeten door de Socomec Diris A40. Deze zal via een extra module een analoog signaal verzenden naar de PLC die dit ontvangt op zijn analoge uitgang. Binnen de PLC gebeurt de regeling op basis van een afloopsturing waardoor de wachttijden van seriële communicatie gerespecteerd worden. De PLC zal door de uiteindelijke regeling toe te passen, een frequentie verzenden over de seriële bus en zal zo de frequentie op de bus kunnen aanpassen. In onderstaande figuur worden alle extra aansluitingen en toebehoren weergegeven die samen het volledige SCADA-systeem vormen. L1 L2 L3 RS-232 Xcom BSP R DC R shunt Invertor/ charger R DC softstarter ASM Mini-WKK verbruikers P verbruik Diris batterij PLC SCADA R bat M 0-20mA Figuur 105: Samenstelling volledige SCADA-systeem

106 93 7 METINGEN OP REGELING In dit hoofdstuk zullen eerst de metingen die gebeurd zijn op de testopstelling met een verlaagd vermogen verduidelijkt worden. Nadien wordt er overgegaan op de reële opstelling. 7.1 METINGEN TESTOPSTELLING VERLAAGD VERMOGEN Algemeen Voor er op de reeds bestaande opstelling getest wordt, is er eerst een testopstelling gebouwd. De testopstelling omvat dezelfde omvormers als deze die bij EVW worden gebruikt. De batterijen die op de campus beschikbaar zijn, zijn van het merk Aquion Energy. De mini-wkk wordt gesimuleerd door middel van twee vierpolige asynchrone machines van elk 2,2kW, waarvan er één als aandrijving gebruikt wordt en de tweede als generator zal dienen. De asynchrone machines van het merk Leroy & Somer (Emerson) zijn aangekocht met een frequentieregelaar die de aandrijving op een constant toerental moet houden. De asynchrone machine, die als aandrijving dient, is daarom uitgerust met een incrementele encoder voor de closed-loop frequentieregeling. De simulatie van de mini-wkk, met asynchrone machine als generator, wordt weergegeven in onderstaande figuur. Figuur 106: nabootsing mini-wkk met 2 ASM De verdere opbouw van het volledige systeem is afgebeeld in onderstaande figuur. In Figuur 108: gebruikte belastingsbank staat de gebruikte belastingsbank weergegeven. Via deze belastingsbank wordt het systeem belast met instelbare vermogens.

107 94 Figuur 107: Xtender omvormers + SCADA + batterijen Meting communicatie Figuur 108: gebruikte belastingsbank De eerste bezorgdheid is die van de snelheid van de regeling, de omvormers kunnen maar voor vijf seconden een vermogen van 10.5kVA aan. Daarom wordt op de seriële communicatie een oscilloscoop geplaatst om zo de reactiesnelheid tussen PLC en de communicatiemodule Xcom-232i te kunnen testen. Deze meting omvat niet de uiteindelijke reactiesnelheid van het hele systeem, maar enkel de minimale tijd die de PLC nodig heeft om de complete regeling te doorlopen.

108 Figuur 109: scoopbeeld communicatie In het bovenstaand scoopbeeld zien we een sequentie met een opeenvolging van: 1. Het verzenden van de vraag van de SOC vanuit de PLC naar de Xcom module en het verbruikt vermogen dat via de analoge kaart ingelezen wordt. 2. Het ontvangen antwoord vanuit de Xcom module. 3. Het verzenden van de frequentie naar Xcom module. 4. Ontvangst van het antwoord. De tijd die verstrijkt tussen twee vragen van de SOC (1 naar 1) is ongeveer 260ms. Dit leidt tot de vaststelling dat de communicatie geen significant veel tijd nodig heeft. Met andere woorden in de tijd tussen het veranderen van het verbruik en de aangepaste vermogensinjectie kan de communicatie van de regeling 260ms van de tijd in beslag nemen. In onderstaande figuur is deze situatie aangeduid. Uiteindelijk zal de totale overgangstijd, dus inclusief het aanpassen van het geïnjecteerd vermogen vanuit de ASM in beschouwing worden genomen. Variëren belasting Batterij neemt geïnjecteerd vermogen op OF Batterij voedt verbuik Figuur 110: tijd tussen veranderen verbruik en aanpassing geïnjecteerd vermogen Statische metingen Commando uit PLC Freq. instellen Overgang vermogen vanuit ASM Gevraagd geïnjecteerd vermogen door ASM Voor de effectieve testresultaten zijn er twee toestanden te onderscheiden. Een eerste dat hier zal besproken worden is de toestand wanneer de belasting onveranderd blijft. Per deel van de regeling wordt er naar de frequentie gekeken en wordt de vermogenstroom in kaart gebracht. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van geïsoleerde probes voor het meten van de spanning en stroommeetprobes voor het meten van de stromen. t

109 96 Figuur 111: metingen met behulp van geïsoleerde probes en stroommeetprobes De bovenstaande opstelling kan schematisch als volgt voorgesteld worden: Ch3 Ch1 Spanningsprobe /500 tussen L1 en N Spanningsprobe /500 tussen L1 en N Batterij pakket Inverter/ Charger Ch4 Stroomprobe 10A/1V op L1 Ch2 Stroomprobe 10A/1V Op L1 ASM verbruikers Figuur 112: schematische voorstelling metingen De bovenstaande kleuren van de probes slaan op de kleuren van de kanalen die op de oscilloscoop gebruikt worden. Voor de conventionele stroomzin aan AC zijde, zijn de stromen ter hoogte van de ASM volgens het generatorreferentiestelsel en de stromen ter hoogte van de omvormers volgens het verbruikersreferentiestelsel. De onderstaande metingen zijn opgedeeld volgens de flowchart bij de gekozen regeling Metingen bij deel 2 In onderstaande figuren worden de metingen weergegeven die bij deel 2 van de regeling horen. Bij deze metingen bevindt de SOC zich tussen de minimumgrens en de maximumgrens van de bulkfase. De metingen zijn in dit deel opgenomen bij drie verschillende resistieve belastingen zodanig dat elke mogelijke stap in de regeling gemeten wordt. De tabel bij elke figuur verduidelijkt de situatie.

110 Meting bij deel 2a Deel2. SOC min(20%) < SOC (32.2%) < SOC max_bulk (44%) a. P verbruik < 70% van P ASM,nom P verbruik = 0 f = 50.3Hz Batterij opladen I = 18.2A U = 53.69V Tabel 4: meetgegevens deel2a Figuur 113: scoopbeeld bij deel2a Door de gekozen referentiestelsels zien we in de scoopbeelden capacitieve stromen. Bij deel 2a blijkt dat wanneer er geen verbruik is aangesloten, de batterijen worden opgeladen afhankelijk van de laadcurve. De frequentie staat met andere woorden niet ingesteld op de minimale frequentie (op 49.7Hz) voor maximale injectie, maar deze staat op 50.3Hz. De regeling past zich dus aan naar het nodige vermogen. In de meting kan ook opgemerkt worden dat de spanningssignalen op elkaar liggen, deze meten beide de spanningen op de AC-bus. Ook wordt er verwacht dat de stroomsignalen op elkaar zouden liggen, maar dit is echter niet het geval. Aan de hand van vectordiagrammen wordt dit geïllustreerd. De stroom afkomstig van de asynchrone machine kan ontbonden worden in een actief deel (Ī inj) en een reactief deel ( Ī reac). De stroom die naar de omvormer vloeit zal ook opgedeeld worden in een actief deel (Ī laad) en een reactief deel (Ī reac). Aangezien de reactieve stroom die uit de omvormer komt gebruikt wordt om de asynchrone machine te voeden, zullen de reactieve component altijd gelijk zijn. Afhankelijk van het verbruik zal er een deel van de geïnjecteerde stroom naar de omvormers gaan om de batterijen mee op te laden. Met bovenstaande info in acht genomen, zou het onderstaande vectordiagram verwacht worden.

111 98 Ū Ī xtender Ī ASM Ī inj Ī laad Ī reac Figuur 114: verwachte stromen bij deel2a Met: Ī ASM = de stroom die van de ASM vloeit; Ī xtender = de stroom die naar de omvormers vloeit; Ī inj = de actieve stroomcomponent, van het geïnjecteerd vermogen vanuit de ASM; Ī laad = de stroom die naar omvormers vloeit voor het opladen van de batterijen; Ī reac = de reactieve stroomcomponent. In realiteit wordt het onderstaande vectordiagram opgenomen. Ū Ī ASM Ī xtender Ī inj Ī laad Ī reac De stroom componenten Ī inj en Ī laad komen niet overeen. Dit kan verklaart worden doordat de drie omvormers een eigen verbruik hebben (14W per omvormer). Het eigen verbruik verklaart maar dus deels het niet overeenkomen van de twee stroom signalen. Een andere verklaring is dat de stroomprobes die gebruikt werden door storingen beïnvloed waren. Figuur 115: aansluiting stroomprobes

112 Elke omvormer beschikt over een transformator gedeelte, elk met een lekflux. Deze lekflux kan de vervorming van de stroomsignalen in zowel de faseverschuiving als de amplitude verklaren. De stroomprobe die zich het dichts bij de omvormers bevindt vertoond op de scoop het meeste storing ten op zichtte van de stroomprobe die de stroom van de ASM opmeet. Met andere woorden, de stroomprobe bij de omvormer heeft meer invloed door de lekflux ten op zichtte van de andere. Ook fluctueerden de stroomsignalen op de scoop ondanks dat op dat moment het verbruik constant gehouden werd en de gevraagde oplaadstroom voor de batterijen niet gewijzigd werd. De door storingen beïnvloede stroomsignalen geven dus een trend weer, deze signalen kunnen niet gebruikt worden om de grootte van de stromen af te leiden. De fasehoek tussen de stroomsignalen en de spanning geven wel een relatie mee die hieronder verduidelijkt wordt. Hypothetisch, wanneer er een zuiver resistief verbruik (Ī verbruik) aangelegd wordt en er daardoor minder kan opgeladen worden, dan zal de stroomcomponent vanuit de omvormers meer capacitief worden. Ū 99 Ī ASM Ī xtender Ī inj Ī laad Ī reac Figuur 116: hypothetisch met verbruik Ī verbruik Uit bovenstaand vectordiagram kunnen volgende relaties worden afgeleid: I verbruik = I inj I laad I ASM = inj + I reac I xtender = I laad + I reac Meting bij deel 2b Deel2. SOC min(20%) < SOC (32.8%) < SOC max_bulk(44%) b. 70% van P ASM,nom < Pv erbruik < P ASM,nom P verbruik = 1500W f = 50Hz Batterij ontladen I = -1.58A U = 48.72V Tabel 5: meetgegevens deel2b

113 100 Figuur 117: scoopbeeld bij deel2b In deel 2b zal het verbruik groter zijn dan 70% van het maximaal geïnjecteerd vermogen. Er kan opgemerkt worden dat door de onnauwkeurigheid van de regeling toch de energie uit de batterij gebruikt moet worden (weliswaar beperkt) om zo het geïnjecteerd vermogen dat de asynchrone machine te weinig levert voor het verbruik, toch op te kunnen vangen. Er treedt een faseverschuiving op tussen de stromen. Mocht dit verbruik voor lange tijd aangehouden blijven, dan zal de batterij continu ontladen worden. Wanneer de batterij zo diep ontladen wordt zodat de SOC kleiner is dan de SOC min dan zal de regeling haar frequentie moeten laten dalen (de regeling bevindt zich dan in deel1). Hier is dus de stroom van de omvormers meer dan 90 voorijlend ten opzichte van de spanning, dit komt omdat er bijna geen stroom uit de omvormers kan vloeien. Onderstaand vectordiagram illustreert dit geval. De stroomvector bij opladen draait om aangezien de batterijen nu ontladen worden. De geïnjecteerde stroom vanuit de asynchrone machine (Ī inj) kan vectorieel worden opgeteld met de ontlaadstroom (Ī ontlaad). Samen vormt dit de verbruikte stroom(ī verbruik). I verbruik = I inj + I ontlaad Ū Ī ASM Ī inj Ī reac Ī xtender Ī ontlaad Figuur 118: vectordiagram bij deel 2b Ī verbruik

114 Meting bij deel 2c Deel2. SOC min(20%) < SOC (32.7%) < SOC max_bulk(44%) c. P verbruik > P ASM,nom P verbruik = 2500W f = 49.7Hz Batterij ontladen I = -11.3A U = 45.59V Tabel 6: meetgegevens deel2c Figuur 119: scoopbeeld bij deel2c In deel 2c bevindt de regeling zich in de situatie waarbij het verbruik groter is dan 100%. Zoals verwacht neemt bij deel2c de batterijen een significant deel van het vermogen op zich. Dit valt uit de grotere fase verschuiving tussen de stromen af te leiden. Doordat de testopstelling op de campus met batterijen werkt met ongeveer een capaciteit van 200Ah, kan deze toestand niet lang aangehouden worden. Dit omdat de spanningsval over de batterijen daalt tot onder de minimum spanning die de omvormers nodig hebben. Wanneer er meer ontladen wordt, zoals in deel 2c, zal de stroomcomponent van de omvormers nog gaan voorijlen ten op zichtte van de spanning. Hoe groter de ontlaadstroom wordt, hoe meer de stroom van de omvormer zal gaan voorijlen. Onderstaand vectordiagram schetst deze situatie. Ī ASM Ū Ī inj Ī reac Ī xtender Ī ontlaad Figuur 120: vectordiagram bij deel 2c Ī verbruik

115 Metingen bij deel 3 en 4 Hier moet er opgemerkt worden dat aangezien de metingen met Aquion batterijen zijn gebeurd, deel 3 en 4 van de uiteindelijke regeling één deel zijn (zie oplaad curve van de Aquion batterijen). Dit wil dus zeggen dat de situaties waarbij de SOC max_bulk < SOC < SOC min_abs en SOC min_abs < SOC < SOC Max bij de Aquion batterijen juist één deel worden, namelijk SOC max_bulk < SOC < SOC Max. Aangezien de metingen ongeveer dezelfde conclusies geven als bij de situatie in deel 2 zullen de metingen enkel gegeven worden en achteraf wordt er een klein besluit gegeven bij deze metingen Meting bij deel 3 en 4 a1 Deel3 en 4. SOC max_bulk (44%) < SOC (87%) < SOC Max(95%) a1. P verbruik < 70% van P ASM,nom P verbruik = 0 f = 50.8Hz Batterij opladen I = 3.6 A Tabel 7: meetgegevens deel3 en 4a1 Figuur 121: scoopbeeld bij 3 en 4a(1) Meting bij deel 3 en 4 a2 Deel3 en 4. SOC max_bulk (44%) < SOC (87%) < SOC Max(95%) a2. P verbruik < 70% van P ASM,nom P verbruik = 600W f = 50.5Hz Batterij opladen I = 1.2 A Tabel 8: meetgegevens deel3 en 4 a2

116 103 Figuur 122: scoopbeeld bij 3 en 4a(2) Meting bij deel 3 en 4 b Deel3 en 4. SOC max_bulk < SOC < SOC Max b. 70% van P ASM,nom < Pv erbruik < P ASM,nom P verbruik = 1500W Batterij ontladen I = 4.5A Tabel 9: meetgegevens deel3 en 4b f = 50.1Hz Figuur 123: scoopbeeld bij 3 en 4b Meting bij deel 3 en 4 c Deel3 en 4. SOC min< SOC (87%) < SOC max_bulk c. P verbruik > P ASM,nom P verbruik = 2400W f = 49.7Hz Batterij ontladen I = -11A U = 45.59V Tabel 10: meetgegevens deel3 en 4c

117 104 Figuur 124: scoopbeeld deel3 en 4c Verklaringen bij deel 3 en 4 De faseverschuivingen zoals bij de verklaring van deel 2 wordt beschreven, is hier ook duidelijk merkbaar. De frequenties bij de verschillende onderdelen a en b tussen deel 2 en deel 3 en 4 zijn verschillend. Dit kan verklaart worden door het feit dat de regeling bij deel 3 en 4 bij een hogere SOC werkt en dat er bij deel 3 en 4, de frequentie een stap hoger wordt gekozen Besluit statische metingen Bij de theoretische benadering van de regeling word bij deel 2b, waarbij de mini-wkk continue moet blijven draaien, verondersteld dat er een klein deel van de geïnjecteerde energie naar de batterij zal vloeien. Uit de testen blijkt dat het mogelijk is dat er een kleine stroom gevraagd wordt van de batterijen, om zo de onnauwkeurigheid (het maar op 0.1Hz kunnen regelen) op te kunnen vangen Dynamische metingen Als een tweede deel van de metingen worden de gevolgen van het wijzigen van het verbruik bekeken. Bij de dynamische metingen worden er telkens een verbruik van 1500 W in- of uitgeschakeld. Door de scoop te laten triggeren op het signaal van de verbruikers, kan de dynamische overgang opgemeten worden. Aangezien dit fenomeen zich voordoet aan de omvormer zal dit te zien zijn on de stroom die opgemeten wordt aan de omvormer. De metingen worden voorgesteld in onderstaande figuur.

118 105 Ch1Spanningsprobe /500 tussen L1 en N Batterij pakket Inverter/ Charger Stroomprobe Ch2 10A/1V Op L1 Ch3 Spanningsprobe /500 tussen L1 en N verbruikers Stroomprobe Ch4 10A/1V op L1 ASM Figuur 125: schematische voorstelling metingen dynamisch Terug stellen de kleuren op het schema, de kleuren van de kanalen op de scoop voor Belasting inschakelen Als eerste wordt het inschakelfenomeen waargenomen bij het inschakelen van de belasting. In de scoop is onderstaande figuur opgemeten. Figuur 126: inschakelen van een belasting In eerste instantie is er geen verbruik aanwezig. De stroom die vanuit de omvormers vloeit is een zuivere capacitieve stroom die naar de ASM vloeit, om het statordraaiveld te kunnen opwekken. Nadat er ingeschakeld wordt is te merken dat de stroom die naar de omvormer vloeit, in tegenfase is ten opzichte van de stroom die de verbruikers vragen. De omvormers nemen dus hier de zuiver resistieve belastingsvraag volledig voor eigen rekening en dit voor zo n drie perioden (of zo n 60ms) lang. Dit wil dus zeggen dat door de traagheid van de regeling, de batterijen tijdelijk inspringen als energiebron totdat de regeling haar frequentie geregeld heeft. Na die drie perioden valt op te merken dat de stroom die vanuit de omvormer komt, periode per periode in fase zal verschuiven, van 180 faseverschuiving in richting zuivere capacitieve stroom dat een faseverschuiving heeft van 90. De belastingsvraag zal vanaf dan volledig geleverd worden door de asynchrone machine.

119 106 Onderstaande vectordiagrammen tonen dit inschakelfenomeen. De reactieve stroomcomponent zal in het begin te verwaarlozen zijn ten opzichte van de stroom die gevraagd wordt door het verbruik. We zien hier duidelijk dat de ontlaadstroom in de tijd zal verkleinen tot op het moment wanneer het verbruik volledig gevoed zal worden door de asynchrone machine. De stroom uit de asynchrone machine is hier niet gegeven om onduidelijkheden in het vectordiagram te vermijden.

120 107 Ū Ū Ū Ū Ū Ū Ū Ū Ī verbruik Ī verbruik Ī verbruik Ī verbruik Ī verbruik Ī verbruik Ī verbruik Ī verbruik Ī reac Ī reac Ī reac Ī reac Ī reac Ī reac Ī reac Ī reac Ī xtender Ī ontlaad Ī xtender Ī ontlaad Ī xtender Ī ontlaad Ī xtender Ī ontlaad Ī xtender Ī ontlaad Ī xtender Ī ontlaad Ī xtender Īontlaad 1 2 Ī xtender Ī ontlaad Figuur 127: schets inschakelfenomeen

121 108 Ī xtender Ī reac ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers P verbruik = 0 Ī xtender Ī reac ASM Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Ī verbruik P verbruik = 1500W Ī xtender Ī reac Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Ī inj Ī verbruik P verbruik = 1500W ASM Ī xtender Ī reac Batterij pakket Inverter/ Charger verbruikers Figuur 128: inschakelfenomeen aan de hand van schema's Ī inj Ī verbruik P verbruik = 1500W ASM

122 Zoals in bovenstaande schema s geïllustreerd wordt, neemt de omvormer met de batterijen tijdelijk het complete verbruik voor zich (gedurende één periode). Er kan vastgesteld worden dat de frequentie al tijdens de derde periode reeds wordt ingesteld. Vanaf dan zal de stroom van de omvormer meer in fase verschuiven. Als er gekeken wordt naar de sequentie van de communicatie, dan is de tijd die verstrijkt tussen punt 1 (afvragen van SOC en een verbruikt vermogen) en punt 3 (versturen van de frequentie) ongeveer 40ms. Anders gezegd, zal de omvormer in het beste geval de frequentie na 40ms al aangepast hebben, in dit geval zal dit gebeuren na ongeveer 60ms. Batterij voedt verbruik: 60ms Inschakelen Commando uit PLC belasting Freq. instellen Figuur 129: voorstelling inschakelfenomeen ifv de tijd Helaas was het bereik van de trigger bij de gebruikte scoop ontoereikend om vast te stellen wanneer het verbruik volledig door de asynchrone machine wordt overgenomen. Achter vijf perioden na in schakelen van de belasting is de stroomcomponent nog steeds niet zuiver capacitief Belasting uitschakelen Overgang voeding verbruik van omvormers door ASM Wanneer er nu een bepaalde belasting volledig uitgeschakeld wordt, zoals onderstaand scoopbeeld weergeeft, dan moeten de omvormers tijdelijk het geïnjecteerd vermogen die op de AC-bus aanwezig is, op zich nemen. 109 t Gevraagd geïnjecteerd vermogen door ASM Figuur 130: scoopbeeld uitschakelfenomeen Er kan opgemerkt worden dat de stroom na het uitschakelen bij de omvormers stijgt. Aangezien er in dit deel een stroom wordt opgenomen door de omvormers kan men zien dat er een faseverschuiving is die kleiner is dan 90. Wanneer de regeling zou inschakelen, zal het geïnjecteerde vermogen dalen zodanig het vermogen dat voordien verbruikt werd niet meer geleverd zal worden. De faseverschuiving tussen de stroom van de omvormers en de spanning zal opnieuw stijgen tot 90. Dit is voorgesteld in onderstaande vectordiagrammen.