Składam serdeczne podziękowania Panu profesorowi Zbigniewowi Hanzelce za pomoc merytoryczną konieczną do powstania niniejszej pracy.

Transkrypt

1

2

3

4 Składam serdeczne podziękowania Panu profesorowi Zbigniewowi Hanzelce za pomoc merytoryczną konieczną do powstania niniejszej pracy. Pragnę również podziękować kolegom z Katedry: dr inż. Robertowi Jarosze dr inż. Stanisławowi Kosiorowskiemu dr inż. Andrzejowi Firlitowi mgr inż. Józefowi Skotnicznemu mgr inż. Władysławowi Łoziakowi dr inż. Markowi Żuchowiczowi a także tym wszystkim, którzy wspierali mnie w trakcie powstawania tej pracy.

5 Spis treści Spis treści 5 Spis oznaczeń, symboli i skrótów 8 Wprowadzenie 11 Szeregoweukładyaktywne Tezaicelpracy Zaburzenia napięcia, skutki i sposoby kompensacji Zaburzenianapięcia Zaburzenianapięciakompensowaneukładamiszeregowymi Odkształcenieharmonicznenapięcia Wahanianapięcia Zapadyiwzrostynapięcia Asymetrianapięcia Skutkizmianwartościskutecznejnapięcia Regulowanenapędyprąduprzemiennego Regulowanenapędyprądustałego Silnikiindukcyjnezasilanebezpośredniozsieci Elektroniczne urządzenia pomiarowe, automatyki przemysłowej i urządzenia biurowe Transformatoryenergetyczne Lampywyładowczeiżarowe Kompensacjazaburzeńnapięcia Energoelektroniczneukładyaktywne Statyczneukładybezprzerwowegozasilania Pozostałeukłady Struktura układu szeregowego Wstęp Stosowanetopologieczęścienergoelektronicznej Podstawoweelementyukładuszeregowego Falownik Strukturafalownika Sterowaniełącznikami Elementypółprzewodnikowe Transformatordodawczy Dobórtransformatora Metodyograniczaniazjawiskanasycaniardzenia Układybeztransformatorowe Filtrczęstotliwościłączeniowej Podstawowestrukturyfiltrówpasywnych Metodauproszczonadoborufiltruczęstotliwościłączeniowej DobórelementówfiltruRCpostroniesieci DobórelementówfiltruLCpostronieprzekształtnika

6 SPIS TREŚCI 2.5 Zabezpieczeniaukładuszeregowego Zabezpieczenieprzedzwarciami Zabezpieczenie przed wzrostem napięcia w układzie pośredniczącym prądu stałego Zabezpieczenieprzedprzerwaniemobwodusieci Energiaukładuszeregowego Podstawoweukładypołączeń Układyzasilanezsieci Układyzmagazynowaniemenergii Układysprzęgnięte Sposobymagazynowanieenergii Sterowanie układem szeregowym Wstęp Strategiewytwarzanianapięciadodawczego Strategiedlaukładówjednofazowych Strategiedlaukładówtrójfazowych Strategierealizowanekrokowo Sterowaniedynamicznymstabilizatoranapięcia Regulatorywnaturalnymukładziewspółrzędnych Sterowanieślizgowe Sterowaniewektorowe Regulatorywwirującymukładziewspółrzędnych Regulatoryminimalizującefunkcjęcelu Sterowanieszeregowymfiltremaktywnym Zasadadziałania Podstawowakoncepcjasterowania Sterowaniewnaturalnymukładziewspółrzędnych Sterowaniewwirującymukładziewspółrzędnych Układograniczającyprądyzwarciowe Metodydetekcjizaburzeńnapięcia Badania symulacyjne układu szeregowego Wstęp Budowamodelusymulacyjnego Środowiskoobliczeńnumerycznych Modelowanieczęścielektroenergetycznej Modelowanieukładusterowania Przetwarzaniewynikówsymulacji Proceduradoboruparametrówregulatora Estymacjaprądukondensatora Symulacjepracyukładuszeregowego Warunkiprzeprowadzonychsymulacji Rozruchukładuszeregowego Kompensacjazapadunapięcia Kompensacjaspadkównapięćiasymetriizasilania Symulacyjnebadaniezdolnościkompensacjizaburzeńnapięcia Rozruchsilnikaindukcyjnegoprzyłączonegopostroniezasilania Rozruchsilnikaindukcyjnegoprzyłączonegopostronieodbiornika Odbiornikasymetrycznyliniowyprzyłączonypostronieodbiornika Badania laboratoryjne układu szeregowego Wstęp Budowastanowiskalaboratoryjnego SystemszybkiegoprototypowaniadSPACE Falownikiukładsterowaniafalownikiem Częśćsilnoprądowaukładuszeregowego

7 SPIS TREŚCI 5.3 Sterowaniemodelemlaboratoryjnymukładuszeregowego Wynikibadańeksperymentalnych Ładowaniekondensatoranapięciemdodawczym Stabilizacjaciągła Kompensacjazapadównapięcia Wnioski końcowe Tezapracy Kierunkidalszychprac Bibliografia 119 7

8 Spis oznaczeń, symboli i skrótów Indeksy dolne i górne Symbol Znaczenie U, u(t) wartość skuteczna, chwilowa wielkości u u (a,b,c) wielkośćuprzedstawionawnaturalnymukładzie współrzędnych(a,b,c) u (α,β,) wielkośćuprzedstawionawukładziewspółrzędnych(α,β,) u (d,q),u (d,q,) wielkośćuprzedstawionawwirującymukładzie współrzędnych(d,q),lub(d,q,) u (d),u (q) składowe ortogonalne wielkości u w wirującym układzie współrzędnych(d, q) u (,I,II) wielkośćuprzedstawionawukładzieskładowych symetrycznych(, I, II) u (I),u (II),u () składowasymetrycznazgodna,przeciwna,zerowa u (1),u (n) harmonicznapodstawowain.rzęduwielkościu ū wskaz, lub wartość zespolona wielkości u Oznaczenia stosowane na schematach Tam, gdzie było to możliwe, wykorzystano jednolite oznaczenia wielkości występujących na schematach zastępczych Symbol Znaczenie U z,u d napięcieźródłowe,napięciedodawcze U s,i s napięcieiprądsiecizasilającej U o,i o napięcieiprądodbiornika U f,i f napięcieiprądfalownika U DC,I DC napięcieiprądstronydcprzekształtnika P o,p s,p d mocczynnaodbiornika,siecizasilającej,układu szeregowego Q o,q s,q d mocbiernaodbiornika,siecizasilającej,układu szeregowego S o,s s,s d mocpozornaodbiornika,siecizasilającej,układu szeregowego Z s,x s,l s,r s impedancja,reaktancja,indukcyjnośćirezystancja sieci zasilającej dla harmonicznej podstawowej 8

9 Oznaczenia kątów na wykresach wskazowych Wszędzie tam, gdzie było to możliwe wykorzystano litery alfabetu greckiego do oznaczenia kątów między wskazami według następującej reguły Symbol Znaczenie β kątmiędzywskazemnapięciadodawczegoūda wskazemnapięciazasilaniapodczaszapaduūs,dip kąt wyprzedzenia; wartość dodatnia, gdy napięcie dodawcze wyprzedza napięcie zasilania δ kąt między wskazami napięcia zasilania: przed zapademiwtrakcietrwaniazapadu kątzapadu; wartość dodatnia, gdy wskaz podczas zapadu wyprzedza wskaz przed zapadem ϕ kątmiędzywskazemprądui oawskazemnapięcia odbiornikau o σ kątmiędzywskazemnapięciazasilaniaūs,dipw trakciezapadu,awskazemnapięciaodbiornikaūo kąt rozsunięcia; wartość dodatnia, gdy napięcie odbiornika wyprzedza napięcie zasilania U d U o U s,dip U s, pre I o Wykaz używanych skrótów W dalszej części pracy tam, gdzie jest to możliwe, zostaną użyte skróty na określenie urządzeń bądź pojęć z zakresu pracy. Wykorzystane zostaną skróty utworzone od nazw anglojęzycznych ze względu na ich powszechne wykorzystanie, a także ze względu na brak polskiego odpowiednika danej nazwy. Skrót Opis Definicja APF energetyczny filtr aktywny, ang. active power filter AZV metoda naprzemiennych wektorów zerowych,(ang. alternating zero vectors sequence) strona 6 BESS akumulatorowe zasobniki energii ang. battery energy storage system DVR dynamiczny stabilizator napięcia, ang. dynamic voltage restorer DPF współczynnik przesunięcia, współczynnik mocy dla podstawowej harmonicznej(cos ϕ) ang. displacement power factor FCL układ ograniczający wartość prądów zwarciowych, strona 72 ang. fault current limiter FFT szybka transformata Fouriere a(algorytm), ang. fast Fourier transform IPS strategia sterowania polegająca na dodawaniu napięcia strona 46 w fazie z napięciem zasilania, ang. in-phase injection strategy LES układy zasilane z sieci, ang. line energy supplied strona 39 NPC falownik wielopoziomowy z diodową separacją poziomów napięcia, ang. neutral point clamped, diode strona 25 clamped PAS strategia sterowania polegająca na dodawaniu napięcia strona 46 z wyprzedzeniem fazy w stosunku do napięcia zasilania, ang. phase advance strategy PF współczynnik mocy, ang. power factor(p/s) PLL pętla synchronizacji, ang. phase locked loop PSS strategia sterowania polegająca na odtwarzaniu wskazu napięcia przed zapadem, ang. pre-sag injection strona 45 strategy 9

10 SPIS OZNACZEŃ, SYMBOLI I SKRÓTÓW Skrót Opis Definicja PWM modulacja szerokości impulsu, ang. pulse width modulation PWP punkt wspólnego przyłączenia SES układy z zasobnikami energii, ang. stored energy supplied SMES cewka nadprzewodząca, ang. superconducting magnetic energy storage SPLL pętla PLL realizowana programowo, ang. software phase locked loop ShZV metoda przesuniętych wektorów zerowych,(ang. shifting zero vectors sequence) SZV metoda symetrycznych wektorów zerowych, ang. symmetric zero vectors sequence VSI falownik napięciowy, ang. voltage source inverter VSV sterowanie metodą napięciowych wektorów przestrzennych, ang. voltage space vectors strona 26 strona 39 strona 42 strona 6 strona 59 strona 58 1

11 Wprowadzenie Powszechne stosowanie zaawansowanych urządzeń elektronicznych i energoelektronicznych spowodowało zwiększenie zainteresowania zapewnieniem wysokiej jakości dostawy energii elektrycznej. Jakość energii elektrycznej rozumiana jest jako zachowanie parametrów napięcia zasilającego. Miarą liczbową są parametry napięcia takie jak: współczynnik odkształcenia, zawartość wyższych harmonicznych, wahania wartości skutecznej, asymetria, a także parametry charakteryzujące zapady i wzrosty napięcia. Urządzenia takie jak: sterowniki mikroprocesorowe, mikrokomputery, roboty przemysłowe, napędy o regulowanej prędkości(adjustable speed drives, ASD) itp. wymagają zasilania napięciem o odpowiedniej jakości. Z drugiej strony urządzenia energoelektroniczne jako odbiorniki nieliniowe wywołują przepływ prądu niesinusoidalnego, co prowadzi do zwiększenia poziomu odkształcenia napięć, a w konsekwencji pogorszenia jakości energii dostarczanej do odbiorców. W sposób naturalny pojawiła się więc potrzeba kompensacji zaburzeń napięcia w celu dostarczenia odbiorcy energii o wymaganych przez niego parametrach jakościowych. W latach 199 do 1994 przeprowadzono na terenie Stanów Zjednoczonych i Kanady serię pomiarów mających na celu określenie częstości występowania zaburzeń napięcia[46]. Pomiary wykonano na poziomie niskiego napięcia w punktach rozsianych po całym terenie Ameryki Północnej. Z pośród 157 punktów pomiarowych w połowie z nich zarejestrowano średnio 4.1 zapadów na miesiąc. W najgorszym pod tym względem punkcie zarejestrowano średnio zapadów w ciągu miesiąca. Podobne wyniki przedstawiono w[47], gdzie omówiono skrótowo rezultaty trzech niezależnych pomiarów na terenie USA w latach 1991 do Są to jedynie przykładowe publikacje, można znaleźć również opisy pomiarów wykonywanych na terenie innych krajów, również europejskich. Pomiary te pozwalają wyciągnąć wniosek, że zapady napięcia są bardzo ważnym czynnikiem obniżającym jakość dostawy energii elektrycznej. Wpływ zapadów na różne procesy przemysłowe omawiany jest wielu publikacjach, z których można wymienić przykładowo[48, 163, 17]. Można rozważać dwa sposoby ochrony przed skutkami złej jakości zasilania. Pierwszy z nich to uodpornienie czułego odbiornika tak, aby zmniejszyć jego wymagania odnośnie jakości zasilania. Drugim sposobem jest zastosowanie osobnych urządzeń do kompensacji zaburzeń, czyli do poprawy jakości dostawy energii. To drugie podejście jest uzasadnione ekonomicznie, gdyż umożliwia zastosowanie jednego urządzenia dużej mocy zapewniającego podwyższoną jakość energii elektrycznej dla całej grupy odbiorników, lub nawet dla całego zakładu przemysłowego[17]. Urządzenie to może być wykonane w oparciu o energoelektroniczne łączniki półprzewodnikowe o odpowiednio dużym prądzie przewodzenia i napięciu blokowania. Wykorzystanie nowoczesnych urządzeń energoelektronicznych w zakresie dostawy energii elektrycznej jest podstawą koncepcji FACTS(flexible AC transmission systems)[66, 68] i Custom Power[67]. Koncepcja FACTS dotyczy usprawnienia działania sieci przesyłowych wysokiego napięcia, natomiast koncepcja Custom Power dotyczy dystrybucji energii elektrycznej, czyli punktu połączenia dostawcy i odbiorcy energii. Koncepcja Custom Power zakłada wykorzystanie nowoczesnych urządzeń, w tym przede wszystkim układów energoelektronicznych, do zapewnienia jakości i niezawodności dostawy energii elektycznej tym odbiorcom, którzy tego wymagają. Urządzenia te w większości są typu kompensacyjnego, tzn wytwarzają z przeciwnym znakiem niepożądane składniki napięcia, lub prądu i dodają je do napięcia lub prądu sieci. Wykorzystywane są głównie do aktywnej filtracji, symetryzacji prądów liniowych pobieranych przez asymetryczne odbiorniki, poprawy współczynnika mocy i stabilizacji napięcia. Tymi urządzeniami są m.in.: 1. Układy do eliminacji odkształcenia napięcia i prądu: energetyczny(równoległy) filtr aktywny(shunt active power filter), uniwersalny sterownik mocy(unified/universal power quality conditioner, UPQC). 2. Układy do kompensacji mocy biernej harmonicznej podstawowej: kondensatory załączane łącznikami tyrystorowymi(thyristor switched capacitor, TSC), układ FC/TCR(fixed capacitor, thyristor controlled reactance), energoelektroniczne źródło mocy biernej(static synchronous compensator, STAT- COM). 3. Układy kompensacji zapadów i wzrostów napięcia: dynamiczny stabilizator napięcia(dynamic voltage 11

12 WPROWADZENIE restorer), backup stored energy system, BSES, statyczny regulator napięcia(static voltage regulator, SVR), elektroniczny przełącznik zasilania(static transfer switch, STS). 4. Układy bezprzerwowego zasilania(uninterruptible power supply, UPS), 5. Układy zasobników energii: baterie akumulatorów(battery energy supplying systems, BESS), układy z cewkami nadprzewodzącymi(superconducting magnetic energy storage, SMES) 6. Układy przełączające: elektroniczny przełącznik zaczepów(static electronic tap changer), energoelektroniczny wyłącznik statyczny(solid state circuit breaker, SBBC) 7. Układy korekcji reaktancji zastępczej sieci kondensatory szeregowe załączane tyrystorami(distribution static series capacitor, DSSC) 8. Pozostałe układy: ogranicznik przepięć(surge arrester, SA), ograniczniki prądów zwarciowych(fault current limiter, FCL), itp. Od czasu wprowadzenia koncepcji Custom Power wiele takich rozwiązań stało się powszechnie dostępnych. Szeregowe układy aktywne Elektroenergetyczne układy aktywne służące do poprawy jakości napięcia lub prądu można ogólnie podzielić na następujące kategorie[18, 16, 51]: Szeregowo połączone źródła napięcia umożliwiają kompensację zaburzeń napięcia zasilania Równolegle połączone źródła napięcia umożliwiają poprawę współczynnika mocy, zasilanie w trakcie przerw i kompensację zaburzeń napięcia zasilania Równolegle połączone źródło prądu umożliwiają kompensację odkształcenia prądu odbiornika, jego symetryzację i poprawę współczynnika mocy Układy złożone z dwóch źródeł napięcia lub prądu kombinacja funkcjonalności układów opisanych wyżej Szeregowe układy aktywne zalicza się do pierwszej kategorii i są jednym z możliwych sposobów poprawy jakości dostawy energii elektrycznej. W jego budowie można wyróżnić następujące składniki: Układy sprzęgające z siecią najczęściej w postaci trzech jednofazowych transformatorów dodawczych wraz z dodatkowym osprzętem łączeniowym, m.in. łączniki obejściowe(bypass); możliwe są również rozwiązania bez transformatorów Filtr częstotliwości łączeniowej najczęściej jest to pasywny filtr drugiego rzędu Przekształtnik AC/DC najczęściej wykorzystywany jest falownik napięcia jeden trójfazowy lub trzy jednofazowe połączone stronami prądu stałego ze wspólną baterią kondensatorów Połączenie szeregowe predysponuje ten układ do kompensacji zaburzeń napięcia zasilania, takich jak: zapady i wzrosty napięcia, odkształcenia napięcia, asymetria i zmiany wartości skutecznej napięcia. Układ może być więc użyty do ochrony odbiornika przed skutkami zaburzeń napięcia występującymi w sieci zasilającej. Układ ten również może być używany w charakterze filtru szeregowego jako układ blokujący przepływ prądów odkształconych przez sieć zasilającą. Układ ten może być wykorzystany do poprawy skuteczności równoległego filtru pasywnego LC. Ze względu na połączenie szeregowe moc układu jest mniejsza, niż moc analogicznego układu równoległego przeznaczonego do kompensacji odbiornika o tej samej mocy. Wpływa to na całkowitą cenę zastosowania tego typu układu, umożliwiając użycie elementów półprzewodnikowych o mniejszych napięciach blokowania. W rozwiązaniach praktycznych szeregowych filtrów aktywnych podawana jest wartość 1%-15% mocy znamionowej odbiornika, jako jego typowa moc znamionowa[13]. W pracach[144, 86] mowa jest o 5% mocy znamionowej odbiornika, natomiast w[11] autor stwierdza, że układ UPQC, zawierający również część szeregową, może być wymiarowany na 5% mocy odbiornika i wciąż zapewniać kompensację większości zaburzeń. Taka redukcja mocy wynika z kompensacji jedynie w dziedzinie wyższych harmonicznych. Układy do kompensacji zapadów napięcia DVR wymiarowane są zwykle na moc mniejszą niż 3% mocy znamionowej odbiornika[67], np. w[169] opisano praktyczne zastosowania dwóch układów: o mocy 4 MVA chroniącego odbiornikomocy8mva,orazomocy6mvachroniącegoodbiornikomocy21mva.mocukładuzwiązana jest z maksymalną amplitudą napięcia dodawczego, a więc z głębokością kompensowanego zapadu. Można więc z całą pewnością stwierdzić, że szeregowy układ aktywny jest rozwiązaniem w większości przypadków tańszym niż inne układy aktywne zapewniające wysoką jakość dostawy energii elektrycznej. Dotychczas jednak układy te nie znalazły powszechnego zastosowania ze względu na problemy z zabezpieczeniem układu przede wszystkim przed skutkami zwarć w odbiorniku. Układ szeregowy przewodzi cały prąd sieci, w tym również prąd zwarciowy płynący w wyniku uszkodzenia po stronie odbiornika. Ponieważ układy 12

13 TEZAICELPRACY te nie są zwykle przystosowane do pracy przy dużych przetężeniach, muszą być odłączone przez szybkie łączniki bypass(najczęściej energoelektroniczne). Temat zabezpieczeń układu szeregowego poruszony jest w sekcji 2.5(strona 35). W koncepcji Custom Power przewidziano dwa zastosowania dla aktywnych układów szeregowych: 1. Dystrybucyjny statyczny synchroniczny kompensator szeregowy distribution static synchronous series compensator, D-SSSC układ przeznaczony do stabilizacji wartości skutecznej, symetryzacji napięcia zasilania realizowanych przez kompensację szeregową na poziomie dystrybucji energii elektrycznej 2. Dynamiczny stabilizator napięcia, DVR kompensacja zapadów i wzrostów napięcia konkretnego odbiornika Podział ten jest podziałem funkcjonalnym, ponieważ oba wymienione urządzenia budowane są w oparciu o taką samą topologię części energoelektronicznej. Dodatkowo ten podział jest w dużej mierze umowny i w niektórych(głownie nowszych) pozycjach literaturowych układem DVR nazwany jest układ kompensujący równocześnie kilka wybranych zaburzeń napięcia zasilania(za wyjątkiem przerw w zasilaniu)[16]. Tezaicelpracy Mając na uwadze zalety topologii układu szeregowego celowe jest zbudowanie urządzenia chroniącego wrażliwe odbiorniki przed skutkami złej jakości dostarczanej energii elektrycznej. W ostatnich latach w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH prowadzono badania nad zastosowaniem aktywnych filtrów do poprawy jakości energii elektrycznej. W ramach tych prac prowadzone były również badania nad sterowaniem układu szeregowego[123, 124, 125, 126, 127, 128] w trakcie których sformułowano następującą tezę: W oparciu o topologię szeregową istnieje możliwość zbudowania dynamicznego stabilizatora napięcia przeznaczonego do równoczesnej kompensacji kilku wybranych zaburzeń napięcia. Przeznaczeniem układu jest poprawa jakości dostawy energii elektrycznej w sieciach średniego i niskiego napięcia o małej mocy zwarciowej. Podstawowym działaniem układu jest zagwarantowanie parametrów napięciowych dostarczanej energii elektrycznej, w szczególności: 1. Kompensacja zapadów i wzrostów napięcia 2. Stabilizacja i symetryzacja napięcia zasilania 3. Kompensacja wyższych harmonicznych napięcia zasilania Układ nie będzie przeznaczony do zagwarantowania ciągłości zasilania, tzn nie będzie pełnił funkcji UPS. Elementem tezy jest również znalezienie korzystnej struktury układu sterowania zapewniającą realizację wymienionych wcześniej funkcji, cechującej się minimalną liczbą koniecznych sygnałów pomiarowych. Ze względu na wybrany zakres tematyczny praca została podzielona na następujące etapy: 1. Przegląd opublikowanych rozwiązań oraz sposobów sterowania układem szeregowym z naciskiem na układy służące do kompensacji zdarzeń napięciowych. 2. Opracowanie modeli symulacyjnych i przeprowadzenie serii symulacji numerycznych układu szeregowego pracującego podczas występowania wybranych zaburzeń. 3. Opracowanie modelu regulatora sterującego układem szeregowym pracującym w oparciu o strategię kompensacji z wyprzedzeniem napięcia zasilania. 4. Budowa stanowiska laboratoryjnego zawierającego model fizyczny układu szeregowego wraz niezbędnymi elementami i z przykładowym odbiornikiem. Wykorzystanie systemu szybkiego prototypowania dspace do implementacji sterowania falownikiem napięcia 5. Przeprowadzenie badań eksperymentalnych modelu laboratoryjnego układu szeregowego. Niniejszą pracę podzielono na 6 rozdziałów. Rozdział 1 opisuje zaburzenia napięcia, skutki wywierane na różne rodzaje odbiorników, oraz sposoby kompensacji przez urządzenia korzystające z energoelektronicznych układów mocy. Rozdział 2 opisuje budowę układu szeregowego, począwszy od opisu podstawowych topologii a skończywszy na opisie kolejnych elementów składowych układu oraz zabezpieczeń. Rozdział 3 opisuje sposoby sterowania układem szeregowym, czyli sposoby regulacji napięcia falownika oraz strategie kompensacji zapadów napięcia. 13

14 WPROWADZENIE Rozdział 4 opisuje badania symulacyjne układu szeregowego. W tej sekcji opisano budowę modeli symulacyjnych układu szeregowego i pozostałych układów. Opisano również procedurę doboru nastaw regulatora napięcia falownika. Rozdział 5 opisuje budowę stanowiska laboratoryjnego i wyniki eksperymentalne modelu fizycznego układu szeregowego. Rozdział 6 przedstawia podsumowanie uzyskanych wyników, oraz kierunki dalszych prac i wnioski. 14

15 Rozdział 1 Zaburzenia napięcia, skutki i sposoby kompensacji 1.1 Zaburzenianapięcia Zaburzenia napięcia kompensowane układami szeregowymi Problemy z jakością zasilania obejmują szeroką klasę zaburzeń mogących wpłynąć na działanie urządzeń wrażliwych. W tym rozdziale przedstawione zostaną tylko te zaburzenia, które są kompensowane aktywnymi układami szeregowymi, w szczególności: Odkształcenie harmoniczne napięcia Zmiany wartości skutecznej w tym także wahania napięcia, zapady i wzrosty napięcia Asymetria napięcia Przedstawiono również skrótowo problemy, wywoływane przez te zaburzenia, oraz urządzenia Custom Power stosowane do ich kompensacji Odkształcenie harmoniczne napięcia Odkształcenie harmoniczne napięcia można zdefiniować jako zaburzenie sinusoidalnej fali napięcia zasilania. Podczas analizy odkształcenia zakłada się najczęściej okresowy charakter zaburzenia, dzięki czemu możnawykorzystaćrozkładwszeregfouriera.składnikitegoszereguoczęstotliwościachf (n) będącychcałkowitymi,krotnościamiczęstotliwościharmonicznejpodstawowejf 1 określasięmianemharmonicznejrzędu n,czylif (n) =nf 1. Ponieważ napięcie wytwarzane w generatorach synchronicznych jest w bardzo małym stopniu odkształcone można przyjąć, że napięcie źródłowe systemu elektroenergetycznego jest sinusoidalne. Przy takim założeniu odkształcenie napięcia zasilającego związane jest ze spadkiem napięcia wywołanym przez odkształcone prądy na impedancji zastępczej systemu zasilającego. Można wyróżnić trzy ogólne grupy odbiorników wymuszających przepływ prądów odkształconych[14]: 1. Urządzenia z rdzeniem ferromagnetycznym: transformatory, silniki indukcyjne, itp. ze względu na nieliniową charakterystykę magnesowania rdzenia. 2. Urządzenia wytwarzające łuk elektryczny np.: piece łukowe, urządzenia spawalnicze, wyładowcze źródła światła ze względu na nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową łuku elektrycznego. 3. Urządzenia energoelektroniczne np.: prostowniki sterowane i niesterowane, przetwornice częstotliwości ze względu nieliniową pracę elementów półprzewodnikowych Wahanianapięcia Wahania napięcia są zdefiniowane jako powtarzające się zmiany wartości skutecznej, lub obwiedni przebiegu napięcia o wartości nie przekraczającej 1% wartości znamionowej[14]. Źródłem wahań napięcia są przede wszystkim odbiorniki energii elektrycznej o szybkozmiennym poborze mocy, szczególnie mocy biernej. W literaturze przedmiotu bardzo często wymienia się następujące urządzenia w kontekście wahań napięcia: 1. Piecełukowe zewzględunadużezmianypobieranejmocybiernejwstosunkudomocyzwarciowejw punkcie przyłączenia, co czyni je urządzeniami mającymi duży wpływ na napięcie. Łuk wytwarzany w pierwszej fazie topienia jest bardzo niespokojny, przez co warunki przepływu prądu zmieniają się 15

16 ROZDZIAŁ 1. ZABURZENIA NAPIĘCIA, SKUTKI I SPOSOBY KOMPENSACJI gwałtownie ze stanu bliskiego zwarciu do przerwy obwodu. Powoduje to znaczne zmiany napięcia w PWP[14]. 2. Urządzenia zgrzewające zasada działania takiego urządzenia polega na wytworzeniu punktowo dużej ilości ciepła. Związane jest to z przepływem prądu o dużej wartości przez stosunkowo krótki okres czasu. Ponieważ punktów zgrzewania jest zwykle bardzo dużo, praca takiej maszyny powoduje pobór dużego prądu w mniej, lub bardziej regularnych odstępach czasu, co wywołuje wahania napięcia w PWP[14]. 3. Baterie kondensatorów są używane powszechnie do poprawy współczynnika mocy. Załączenie, lub wyłączenie baterii bez stosowania układów łagodzących proces łączeniowy wywołuje zmianę napięcia proporcjonalną do mocy biernej baterii, a odwrotnie proporcjonalną do mocy zwarciowej sieci w punkcie ich przyłączenia. 4. Elektrownie wiatrowe turbina wiatrowa wytwarza moc elektryczną w zależności od prędkości wiatru. Ponieważ jest to wielkość zmienna w czasie, również moc wytwarzana przez turbinę jest zmienna w czasie. Taki rodzaj pracy może prowadzić do zmian napięcia w miejscu przyłączenia turbiny. Niektóre normy takie jak np. IEC wprowadzają metodę określania wpływu turbiny wiatrowej na poziom wahań napięcia[14] Zapady i wzrosty napięcia Zapady(ang. voltage dips/sags) i wzrosty(ang. voltage swells) napięcia są to zjawiska wynikające z krótkotrwałej zmiany(obniżenia, lub podwyższenia) wartości skutecznej napięcia w pewnym punkcie systemu energetycznego. Oba te zjawiska opisuje się w ten sam sposób: przez podanie wartości napięcia podczas zaburzenia, oraz czasu jego trwania. Zapad napięcia jest to nagłe obniżenie wartości skuteczne napięcia zasilania poniżej określonej wartości, przez czas nie krótszy niż połowa okresu podstawowej harmonicznej[14, 71]. W normach definiujących to zjawisko przyjmuje się, że podczas zapadu napięcie w sieciach dystrybucyjnych zmienia się w granicach od 9% do 1% wartości znamionowej napięcia zasilania. Wzrost napięcia jest to nagłe podwyższenie wartości skutecznej powyżej pewnej wartości progowej. Zwykle ta wartość progowa wynosi 11% napięcia zasilania. Różne normy nieco inaczej definiują czas trwania zapadu bądź wzrostu napięcia. Zwykle podaje się wartości czasu trwania od.5 okresu podstawowej harmonicznej(1 ms) do 1 minuty. Normy IEEE wprowadzają dodatkowy podział zależnie od czasu trwania na zaburzenia: krótkotrwałe instantaneous, chwilowe momentary i tymczasowe temporary. W systemie elektroenergetycznym można wyróżnić następujące przyczyny powstawania zapadów napięcia 1. Zwarcia przepływ prądów zwarciowych wywołuje spadek napięcia przez czas trwania zwarcia. Najczęściej występującym zwarciem jest zwarcie typu jednofazowego, w związku z tym wywołuje jednofazowy zapad napięcia o głębokości zależnej od punktu przyłączenia danego urządzenia w stosunku do miejsca wystąpienia zwarcia. 2. Rozruchy urządzeń o dużej mocy w stosunku do mocy zwarciowej systemu w punkcie ich przyłączenia. Zapady wywołane rozruchami napędów dużej mocy są najczęściej trójfazowe, symetryczne o stosunkowo dużej wartości napięcia podczas trwania zapadu, lecz trwające stosunkowo długo. Zapady wywołane załączeniem transformatorów energetycznych do systemu są asymetryczne ze znaczną obecnością harmonicznych 2 i 4. W sieciach trójfazowych zapady napięcia mogą być także sklasyfikowane ze względu na asymetrię napięcia podczas zaburzenia. Stopień tej asymetrii jak również napięcia w poszczególnych fazach zależą od rodzaju zwarcia, a także od sposobu skojarzenia uzwojeń transformatorów energetycznych pomiędzy miejscem zwarcia a punktem doświadczającym zapadu[22, 2, 14] Asymetrianapięcia Zakładając, że napięcie źródłowe systemu elektroenergetycznego jest symetryczne, asymetrię napięciową można podzielić na dwa rodzaje: Asymetria podłużna związana z różnymi impedancjami zastępczymi wzdłużnymi systemu energetycznego w każdej fazie

17 1.2. SKUTKI ZMIAN WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Mostek diodowy Układ hamowania Falownik Filtr cz stotliwo ci ł czeniowej Sie zasilaj ca M Rysunek 1.1: Przykładowa struktura napędu prądu przemiennego o regulowanej prędkości obrotowej zasilanego z pośredniego przemiennika częstotliwości; elementy opcjonalne zaznaczono kolorem szarym. 2. Asymetria poprzeczna związana z różnymi impedancjami poprzecznymi wynikającą przede wszystkim z różnych mocy odbiorów w każdej fazie, bądź z włączenia do sieci trójfazowej odbiorników jednofazowych Asymetryczne napięcia zasilania w PWP wywołane są przede wszystkim przez asymetrię odbiorników w szczególności: Przyłączenie odbiorników jednofazowych do sieci trójfazowej. Szczególnie w sieciach czteroprzewodowych niskiego napięcia zasilających odbiorców komunalnych, gdzie duża liczba odbiorników małej mocy jest nierównomiernie rozmieszczona w poszczególnych fazach, oraz w sieciach zasilających zespoły odbiorników jednoelementowych np.: piece indukcyjne, transformatorowe agregaty spawalnicze, napędy trakcji elektrycznej prądu przemiennego. Odbiorniki trójfazowe o asymetrycznym obciążeniu chwilowym np. piec łukowy w okresie topienia[14]. 1.2 Skutki zmian wartości skutecznej napięcia Najczęściej występującymi zaburzeniami napięcia według różnych raportów[164, 29, 141] są zapady napięcia. Z raportów tych wynika również fakt, że stosunkowo płytkie zapady napięcia już powodowały zatrzymanie wrażliwych odbiorników i przerwę w procesie przemysłowym. Poniżej przedstawione zostaną wybrane odbiorniki wraz z opisem problemów, jakie stwarza zasianie napięciem o niskiej jakości Regulowane napędy prądu przemiennego Napędy te zasilane są najczęściej z pośrednich przemienników częstotliwości rysunek 1.1. Wystąpienie zapadu napięcia w sieci zasilającej taki układ związane jest z obniżeniem napięcia w obwodzie pośrednim. Ten spadek napięcia zależy od pojemności kondensatora obwodu pośredniego, poboru energii przez silnik, oraz głębokości zapadu. Spadek napięcia w obwodzie pośrednim może spowodować zadziałanie zabezpieczeń podnapięciowych układu i przerwanie pracy silnika. Zapad napięcia może być również przyczyną zmian prędkości obrotowej silnika, co w niektórych zastosowaniach może spowodować uszkodzenie produktu. W wyniku uzupełniania energii kondensatora po zakończeniu zapadu następuje zwiększony pobór prądu, co może spowodować zadziałanie zabezpieczeń przetężeniowych i przerwanie pracy napędu[17, 117, 16]. Opublikowane wyniki badań wykazują bardzo dużą wrażliwość napędów przekształtnikowych na zapady napięcia[84, 21, 99, 39, 29, 141, 148, 96]. W niektórych przypadkach napędy te są bardziej wrażliwe niż urządzenia elektroniczne, spełniające wymagania określone charakterystykami CBEMA lub ITIC. Zaproponowano bardzo dużo metod zwiększenia odporności na zapady napięcia. Te najczęściej stosowane obejmują: Zwiększenie pojemności kondensatora w obwodzie pośrednim metoda może jednak być nieekonomiczna dla napędów dużej mocy[21]. Włączenie na wejściu układu dławika szeregowego o wartości 3%-5%[43]. Modyfikację układu prostownika tak, aby umożliwiał on dodatkowy dopływ energii do kondensatora podczas zapadu[49]. 17

18 ROZDZIAŁ 1. ZABURZENIA NAPIĘCIA, SKUTKI I SPOSOBY KOMPENSACJI Sie zasilaj ca Mostek tyrystorowy w obwodzie twornika Mostek tyrystorowy w obwodzie wzbudzenia M Rysunek 1.2: Przykładowa struktura napędu prądu stałego z silnikiem obcowzbudnym Regulowane napędy prądu stałego Schemat przykładowego napędu prądu stałego zasilanego z prostownika sterowanego przedstawiony jest na rysunku 1.2. Napędy tego typu są bardziej wrażliwe na zapady napięcia niż napędy prądu przemiennego zasilane z przekształtników pośrednich. Zapad napięcia powoduje chwilowe zmniejszenie strumienia wzbudzenia, a ponieważ stała czasowa uzwojenia wzbudzenia jest duża, przywrócenie napięcia po zapadzie powoduje przepływ dużych prądów w obwodzie twornika i skokową zmianę prędkości[154]. Dodatkowo może dojść do błędnej detekcji punktu naturalnej komutacji, co w konsekwencji może prowadzić do nieprawidłowego załączenia łączników, a nawet do przewrotu falownika w napędach nawrotnych[153, 152]. Urządzenia zasilane z prostowników mogą również być wrażliwe na zmiany napięcia DC wywołane zapadem w napięciu zasilania. W najbardziej niekorzystnym przypadku może dojść do wyłączenia takiego urządzenia przez układ zabezpieczający[131, 1] Silniki indukcyjne zasilane bezpośrednio z sieci Podczas zapadu napięcia niezależnie od jego rodzaju silniki indukcyjne doświadczają zmiany prędkości obrotowej, przepływu dużych prądów, oraz gwałtownych zmian momentu obrotowego[17, 16, 62, 59]. Dodatkowym elementem wpływającym na zachowanie się silnika jest asymetria zasilania podczas zapadu i moment wystąpienia zapadu względem przejścia fali napięcia przez zero. Szczególną wrażliwość wykazują napędy o rozruchu łagodzonym przez układy softstart, lub przełączniki trójkąt-gwiazda warunki pracy silnika podczas zapadu zbliżone są do stanu rozruchu bezpośredniego i przepływające prądy mogą znacznie przekroczyć prądy dopuszczalne[17, 16]. W pracy[92] stwierdzono również negatywny wpływ zmiany fazy napięcia zasilającego na pracę silnika asynchronicznego. Wrażliwość na zapady wykazują także silniki synchroniczne[28]. Wystąpienie asymetrii w napięciu zasilającym powoduje powstawanie dodatkowego momentu związanego ze składową przeciwną napięcia. Ten moment powoduje zmniejszenie użytecznego momentu na wale maszyny, zwiększone wydzielanie ciepła w uzwojeniach i zwiększone straty mocy związane z prądami indukowanymi w stojanie, oraz wirniku. Dodatkowo mogą wystąpić wibracje powodujące szybsze zużywanie się elementów maszyny. W takich warunkach prąd silnika może być wielokrotnie większy od prądu znamionowego(zależnie od stopnia asymetrii). Testy laboratoryjne potwierdziły, że silniki asynchroniczne są odporne na asymetrię ciągłą zasilania do 2%[14] Elektroniczne urządzenia pomiarowe, automatyki przemysłowej i urządzenia biurowe Urządzenia tego typu zawierają układ zasilający, którego częścią jest prostownik niesterowany z kondensatorem po stronie prądu stałego. Wrażliwość na zapady i obniżenia napięcia związana jest więc z ilością energii zgromadzonej w kondensatorze, oraz z chwilowym poborem tej energii przez urządzenie. W celu zapewnienia poprawnej pracy określono miary liczbowe zaburzeń napięcia nie zakłócających pracy urządzeń. Najważniejsze z nich to charakterystyki ITIC[73](Information Technology Industry Council), CBEMA (Computer Business Manufacturers Association) i SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International Group)[142]. 18

19 1.3. KOMPENSACJA ZABURZEŃ NAPIĘCIA Według różnych raportów, wyłączenie układów PLC(programmable logic controller) następuje przy obniżeniu wartości napięcia od 5% do 6% podczas zapadu. Są to wartości typowe, lecz niektóre urządzenia mogą wykazywać większą wrażliwość. Można zaobserwować pewną zależność: im nowszy układ PLC tym większa jest jego wrażliwość na zapady napięcia[99, 81]. Inne efekty zapadów napięcia to zakłócenie pracy układu przez zmianę jednego, lub więcej stanów logicznych. Zapady napięcia mogą spowodować również wyłączanie styczników spadek napięcia poniżej wartości 5% wartości nominalnej przez okres dłuższy niż 1 okres może spowodować odpadnięcie zwory. W niektórych przypadkach rozłączenie następuje dla spadku napięcia poniżej 7% wartości znamionowej[98]. Ponadto niektóre urządzenia precyzyjne, jak np. roboty przemysłowe, wymagają zasilania napięciem stałym w bardzo wąskim zakresie tolerancji. Zmiana tego napięcia w wyniku zapadu prowadzi zwykle do wyłączenia tych urządzeń przez zabezpieczenia[81]. Duża liczba urządzeń pomiarowych jest kalibrowana w warunkach sinusoidalnego napięcia zasilania. Zasilanie napięciem odkształconym prowadzi więc do zwiększenia błędu pomiarowego tych urządzeń[14] Transformatoryenergetyczne Wystąpienie zapadu napięcia zasilającego na uzwojeniu pierwotnym transformatora prowadzi do powstania składowej stałej w strumieniu magnetycznym. Jej wartość zależy od momentu wystąpienia zapadu na krzywej napięcia. Przywrócenie napięcia może więc prowadzić do wzrostu chwilowej wartości strumienia magnetycznego ponad wartość maksymalną dla liniowej części charakterystyki magnesowania, a tym samym wejście w stan nasycenia[134, 63, 53]. Dodatkowo, przepływające prądy mają wartość zbliżoną do prądów magnetyzujących rdzeń po włączeniu transformatora do sieci Lampy wyładowcze i żarowe Wysokoprężne lampy sodowe i rtęciowe wymagają pewnej minimalnej wartości napięcia zasilania do podtrzymania wyładowania łukowego. Wartość tego napięcia zależy od bardzo wielu czynników i trudno podać jedną, konkretną wartość. W literaturze najczęściej wymienia się 45% napięcia znamionowego przez czas dłuższy niż dwa okresy. Jednak niektóre rodzaje lamp gasną już przy spadku napięcia poniżej 8% napięcia znamionowego[99, 14]. Ponowne załączenie lampy wymaga czasu od jednej do kilku minut na schłodzenie i ponowne rozgrzanie. Bardziej szczegółowe dane można znaleźć np. w publikacji opisującej wyniki testów laboratoryjnych wysokoprężnych lamp sodowych[48]. Wahania napięcia mają również pewien wpływ na strumień świetlny wytwarzany przez te lampy[14, 48]. 1.3 Kompensacja zaburzeń napięcia Można wyróżnić dwa podejścia do kompensacji zaburzeń napięcia zasilającego. Pierwszy sposób to uodpornienie samego odbiornika na konkretne zaburzenia[22, 137]. Natomiast drugi sposób polega na zastosowaniu specjalistycznych urządzeń kompensatorów, w celu likwidacji, lub zmniejszenia skutków zaburzenia. Ten drugi sposób stał się podstawą koncepcji Custom Power[67]. Poniżej przedstawione zastaną wybrane urządzenia służące do kompensacji zaburzeń napięcia. 1. Układy o komutacji własnej stosowane do aktywnego kształtowania prądu lub napięcia w PWP: filtry aktywne szeregowe i równoległe, STATCOM, UPQC. Układy te nazywane są tradycyjnie układami aktywnymi. 2. Układy o komutacji sieciowej jak np. FC/TCR, SVR. 3. Układy przełączające np: elektroniczny przełącznik zaczepów. Dodatkowo układy aktywne można podzielić na dwie kategorie ze względu na sposób włączenia falownika do systemu elektroenergetycznego: 1. Układy równoległe część silnoprądowa układu połączona jest równolegle z odbiornikiem. 2. Układy szeregowe część silnoprądowa układu połączona jest między sieć zasilającą a odbiornik. 3. Układy szeregowo-równoległe zawierające część równoległą i szeregową np. układ UPQC. Poniżej przedstawione zostaną wybrane układy służące do kompensacji zaburzeń napięcia zasilania i zwiększenia jakości dostawy energii elektrycznej. 19

20 ROZDZIAŁ 1. ZABURZENIA NAPIĘCIA, SKUTKI I SPOSOBY KOMPENSACJI Energoelektroniczne układy aktywne Aktywne filtry szeregowe Badania nad filtracją aktywną trwają od połowy lat 6. XX wieku[19]. Początkowo dotyczyły one wykorzystania równoległych filtrów aktywnych do kompensacji odkształcenia prądu odbiornika, a następnie funkcjonalność filtra została rozszerzona o całkowitą kompensację wpływu odbiornika na sieć[2, 144, 3, 14]. Stosowanie aktywnych filtrów równoległych napotyka jednak na pewne problemy, których pozbawione są aktywne filtry szeregowe[119, 12]. Aktywne filtry szeregowe wykorzystują falownik napięcia włączony szeregowo między sieć zasilającą a odbiornik, oraz dodatkowy równoległy filtr pasywny LC[119, 12, 144, 14]. Układ ten wykorzystuje sterowane źródło napięcia w celu modyfikacji impedancji widmowej tak, aby system wraz z gałęzią LC tworzył dzielnik prądu. Wyższe harmoniczne prądu płyną wtedy przez tą gałąź, gdyż jej impedancja jest mniejsza w stosunku do impedancji systemu. Układ rozpatrywany jako całość zwiększa skuteczność filtracyjną filtru pasywnego i zapobiega przepływowi wyższych harmonicznych prądu przez sieć zasilającą. Dynamiczne stabilizatory napięcia Dynamiczny stabilizator napięcia(ang. dynamic voltage restorer, DVR) jest układem energoelektronicznym służącym do kompensacji zaburzeń napięcia przez dodanie do napięcia zasilania wytworzonego przez siebie napięcia dodawczego tak, że napięcia odbiornika ma pożądaną wartość. Początkowo układ DVR przeznaczony był do kompensacji zapadów i wzrostów, następnie jego funkcjonalność rozszerzono o kompensację pozostałych zaburzeń napięcia. Dużą zaletą DVR jest szeregowe połączenie, dzięki czemu falownik wytwarzający napięcie dodawcze może być wymiarowany na część mocy chronionego odbiornika[67, 169]. Również z tego względu, zabezpieczenie DVR jest trudniejsze niż innych układów Custom Power[12]. Układ DVR samodzielnie nie może zapewnić alternatywnego źródła energii w przypadku przerwania obwodu zasilającego. Możliwe jest jednak zastosowanie odpowiedniego układu łączników tworzących zamknięty obwód prądu w momencie wystąpienia takiej przerwy. Dzięki temu układ DVR wyposażony w dodatkowy magazyn energii zyskuje funkcjonalność UPS. Opublikowane raporty z udanych przemysłowych zastosowań układów DVR obejmują m.in. aplikacje w przemyśle włókienniczym[168], fabryce układów półprzewodnikowych[169, 4], przemyśle papierniczym [27],orazwieleinnych[118,169].Mocezainstalowanychukładówwahająsięod5kVAdo6MVA,przy całkowitej mocy odbiorników do 21 MVA. Wykorzystane układy są zarówno pojedynczymi konstrukcjami, jakiukładamimodułowymi złożonymiz2,lub3takichsamychjednostekwceluzwiększeniamocy wyjściowej[17]. Układy DVR są obecnie dostępne w ofercie firm zajmujących się urządzeniami Custom Power. W dalszym jednak ciągu trwają badania nad ich rozwojem. Cechą decydującą o sukcesie DVR jest możliwość zabezpieczenia całego obiektu tylko jednym urządzeniem[14]. Układy UPQC Uniwersalny układ do poprawy jakości energii elektrycznej(ang. unified/universal power quality controller, UPQC) jest to urządzenie energoelektroniczne złożone z dwóch przekształtników jednego włączonego szeregowo, drugiego równolegle[54, 144, 14, 18, 75]. Układ łączy w sobie zalety układów szeregowych i równoległych, co czyni go urządzeniem niezwykle skutecznym w kompensacji różnego rodzaju zaburzeń napięcia zasilania, oraz kompensacji odkształconego prądu odbiornika. Wadą układu jest jego cena, wynikająca z dwóch układów przekształtnikowych o odpowiedniej mocy. Kompensatory statyczne STATCOM i SVC Podstawowym przeznaczeniem kompensatorów statycznych jest kompensacja mocy biernej odbiornika. Statyczny kompensator(ang. static compensator, STATCOM) jest urządzeniem energoelektronicznym składającym się z falownika napięcia włączonego równolegle z odbiornikiem. STATCOM może być wykorzystywany także do kompensacji wahań napięcia[82, 14, 97]. Układ STATCOM można również wykorzystać do symetryzacji asymetrycznego odbiornika[14] jak również do kompensacji zapadów i wzrostów napięcia, jednak kosztem znacznego przewymiarowania układu[5]. Statyczny kompensator mocy biernej(static var compensator, SVC lub fixed capacitor, thyristor switched capacitor, thyristor controlled reactor, FC/TSC/TCR) jest urządzeniem energoelektronicznym składającym 2

21 1.3. KOMPENSACJA ZABURZEŃ NAPIĘCIA się z dławika o prądzie sterowanym parą tyrystorów(część TCR), sekcji baterii kondensatorów(część FC), lub kilku sekcji załączanych łącznikami tyrystorowymi(część TSC). Dodatkowo układ może być wyposażony w pasywny filtr LC w celu kompensacji harmonicznych prądu[14, 14]. Układ wykorzystano również do zmniejszenia wahań napięcia[14], oraz do kompensacji zapadów napięcia[166]. Może on być również wykorzystany do symetryzacji prądów sieci zasilającej[14, 14] Statyczne układy bezprzerwowego zasilania Układy bezprzerwowego zasilania(uninterruptbile power supply, UPS) stosowane są przede wszystkim do zapewnienia ciągłości zasilania, czyli chronią odbiornik przed skutkami krótkich i długich przerw w zasilaniu [137, 14, 113]. Istnieją różne wykonania układu UPS, jednak wszystkie one opierają się na zapewnieniu alternatywnego zasilania odbiornika z niezależnego zbiornika energii, którym najczęściej jest bateria akumulatorów. W tym rozwiązaniu po wykryciu zaniku napięcia, lub innego zaburzenia, zasilanie odbiornika przełączane jest na falownik, który zapewnia dostarczanie energii. Układy UPS są powszechnie stosowane dla odbiorników małej mocy i o niskim napięciu znamionowym, szczególnie do zapewnienia ciągłości zasilania urządzeniom biurowym i sprzętowi informatycznemu. Ze względu na koszty układy UPS dużych mocy są stosowane są jedynie wtedy, gdy koszty zakłócenia pracy wrażliwego odbiornika są większe niż koszty samego UPS, np. stacje serwerów w centrach przetwarzania danych. W celu zmniejszenia kosztów można zastosować układ rezerwowego zasilania(ang. backup energy storage system). Układ taki składa się z magazynu energii, falownika napięcia, oraz łącznika półprzewodnikowego. Łącznik ten zapewnia przełączenie między siecią zasilającą, a falownikiem podczas zaburzeń napięcia. Układ, oprócz zapewnienia ciągłości zasilania może kompensować zapady i wzrosty napięcia[137, 14] Pozostałeukłady Statyczny przełącznik zasilania Energoelektroniczny układ SZR(ang. static transfer switch, STS) składa się dwóch trójfazowych łączników półprzewodnikowych przyłączających odbiornik do dwóch różnych sieci zasilających[31, 14, 1, 113]. W normalnym stanie pracy sieci jeden z łączników jest załączony dostarczając energię do odbiornika. W momencie przerwy w zasilaniu, lub zaburzenia napięcia, pierwszy łącznik odłącza tą sieć, natomiast zasilanie dostarczane jest z drugiej sieci przez załączony drugi łącznik. Wykorzystanie łączników półprzewodnikowych umożliwia bardzo szybkie przełączenie zasilania. Układ ten stosowany jest do zabezpieczenia przed krótkimi przerwami i zapadami napięcia. Zaletą tego rozwiązania jest niski koszt samego układu w porównaniu z innymi rozwiązaniami Custom Power. Natomiast wadą jest konieczność posiadania dostępu do dwóch niezależnych źródeł zasilania[14]. Łączniki półprzewodnikowe można wykorzystać razem z łącznikiem mechanicznym tworząc łącznik hybrydowy(ang. hybrid static transfer switch, HSTS). Osiąga się dzięki temu mniejsze straty podczas przewodzenia, zachowując szybkość łączenia, jaką dają układy półprzewodnikowe[1]. Elektroniczny przełącznik zaczepów Elektroniczny przełącznik zaczepów transformatora(ang. electronic tap changer, ETC) jest zespołem łączników półprzewodnikowych instalowanych razem z transformatorem rozdzielczym. Łączniki półprzewodnikowe umożliwiają bardzo szybką zmianę zaczepów, a tym samym bardzo szybką regulację napięcia odbiornika. Z tego względu ETC może być wykorzystywane jako pewien sposób kompensacji zapadów napięcia [14]. Rozwiązanie to jest jednak bardzo rzadko stosowane w tej aplikacji. Transformator z nasyconym rdzeniem Transformator z nasyconym rdzeniem, lub inaczej stałonapięciowy(ang. constant voltage transformer, CVT) transformator o przekładni 1:1 i specjalnej konstrukcji, którego punkt pracy na charakterystyce magnesowania umieszczony jest w obszarze nasycenia. Wykorzystywany jest jako stabilizator, zapewniając również kompensację zapadów i wzrostów napięcia. Może być stosowany w układach małej mocy do ochrony odbiorników o niezmiennym poborze mocy[137, 99]. 21

22 Rozdział 2 Struktura układu szeregowego 2.1 Wstęp Szeregowo połączone źródło napięcia daje możliwość kompensacji następujących zaburzeń: Zapady i wzrosty napięcia zasilającego. Odkształcenie napięcia zasilającego. Wahania napięcia zasilającego. Asymetria napięcia zasilającego. Blokowanie przepływu wyższych harmonicznych prądu odbiornika przez sieć zasilającą i poprawa skuteczności pracy filtru pasywnego W niniejszej pracy rozważane są układy, które do praktycznej realizacji źródła napięcia o regulowanej wartości wykorzystują układ energoelektroniczny zbudowany w oparciu o w pełni sterowane łączniki półprzewodnikowe Stosowane topologie części energoelektronicznej Ze względu na strukturę części energoelektronicznej układy te można podzielić na dwie kategorie 1. Z obwodem pośredniczącym zawierający napięciowy lub prądowy obwód pośredniczący prądu stałego. 2. Z bezpośrednim przetwarzaniem częstotliwości[1, 145]. W rozwiązaniach praktycznych zarówno laboratoryjnych, jak i przemysłowych, dominuje układ z pośrednim przetwarzaniem energii typu VSI. Najczęściej spotykaną realizacją tej struktury jest układ falownika napięcia wraz z filtrami częstotliwości łączeniowej łączonego szeregowo do sieci przez transformator dodawczy. Modyfikacje polegają na stosowaniu różnych topologii falownika, eliminacji transformatorów dodawczych, bądź wykorzystaniu różnych źródeł energii po stronie prądu stałego falownika. Schematycznie tę strukturę przedstawia rysunek 2.2 i w dalszej części pracy zostanie ona omówiona szczegółowo. W oparciu o tę strukturę został zbudowany układ laboratoryjny opisany w rozdziale 5. Jego zaletą jest prostota sterowania w stosunku do układów z bezpośrednim przetwarzaniem napięcia. Układy z bezpośrednim przetwarzaniem częstotliwości wykorzystują przekształtnik AC-AC do modulacji przebiegu napięcia zasilającego tak, aby otrzymać napięcie którego podstawowa harmoniczna ma amplitudę odpowiednią do skompensowania zaburzenia napięcia. Na rysunku 2.1 przedstawiono przykładowe rozwiązania układów jednofazowych. Układ przetwornicy może być zasilany przez transformator obniżający napięcie i włączony bez pośrednictwa transformatora dodawczego rysunek 2.1(a), lub zasilany bezpośrednio z sieci a włączony przez transformator dodawczy rysunek 2.1(c). Układy te charakteryzują się brakiem osobnego układu magazynowania energii, a zdolności kompensacyjne zależą od maksymalnego napięcia zasilania przetwornicy(w tym również przekładni transformatora zasilającego). W pracy[145] przedstawiono układ złożony z dwóch części: przetwornicy AC-AC do kompensacji zapadów napięcia i układu falownika do kompensacji odkształcenia napięcia rysunek 2.1(c). Obie części układu połączone są z siecią przez trójuzwojeniowy transformator dodawczy. Powyższe układy mają ograniczoną zdolność do kompensacji zaburzeń asymetrycznych ze względu na sposób wytwarzania napięcia dodawczego maksymalna amplituda napięcia dodawczego osiągana jest wtedy, gdy jest ono w fazie z napięciem zasilającym. W przedstawionych publikacjach rozważany jest jedynie przypadek kompensacji zapadów bez przesunięcia fazy napięcia zasilającego podczas zapadu. 22