RÓWNOLEGŁY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY

Transkrypt

1 RÓWNOLEGŁY ENERGETYCZNY FILTR AKTYWNY KONDYCJONOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ OMÓWIENIE METOD I ROZWIĄZAŃ TECHNICZNYCH W CELU REDUKCJI ZABURZEŃ JEE W TYM W SZCZEGÓLNOŚCI: ZAPADÓW NAPIĘCIA, ASYMETRII U-I, HARMONICZNYCH U-I, WAHAŃ NAPIĘCIA, MOCY BIERNEJ - PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO. dr nż. Andrzej Frlt SZKOLENIE Z OBSZARU JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ DLA KADRY INŻYNIERSKIEJ TAURON DYSTRYBUCJA, KRAKÓW,

2 Koncepcja SMART GRIDS KONDYCJONER ENERGII ELEKTRYCZNEJ to urządzene służące do mnmalzowana wybranych lub grupy Z tytułu sprzedaży APF (REFA) opracowanego w ramach Projektu KIC PROINTERFACE z wykorzystanem praw własnośc ntelektualnej TAURON otrzymuje opłatę lcencyjną w wysokośc 0,175% ceny netto sprzedaży (cena bez VAT) zaburzeń występujących w SEE (wartość U-I, wahana U, odkształcena U-I, wyższe harmonczne U-I, asymetra U-I, zapady wzrosty U, przerwy w zaslanu). Kondycjonery pozwalają równeż na kompensację mocy bernej (kompensatory mocy bernej). ZASILANIE KONDYCJONER ODBIORNIK

3 Konsorcjum Projektu Katedra Energoelektronk Automatyk Systemów Przetwarzana Energ Katedra Automatyk Inżyner Bomedycznej

4 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków UKŁADY ENERGOELEKTRONICZNE DO POPRAWY WARUNKÓW DOSTAWY ENERGII ELEKTRYCZNEJ UKŁADY: TSSC TCSC UKŁADY: DVR, SSSC UKŁADY: PST, TCPAR UKŁADY: UPS (ZASOBNIKÓW ENERGII) STATYCZNE KOMPENSATORY (UKŁADY SZEREGOWE) UKŁADY TSC UKŁADY TCR (TSR) UKŁADY FC/TCR UKŁADY TSC/TCR UKŁADY TSC/TCR/FC Statc VAR Compensators SVCs UKŁADY STATCOM STATYCZNE KOMPENSATORY (UKŁADY RÓWNOLEGŁE) FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH UKŁADY UPFC / UPQC ZINTEGROWANE KONDYCJONERY ENERGII ELEKTRYCZNEJ PASYWNE AKTYWNE HYBRYDOWE UKŁADY PRZEKSZTAŁTNIKOWE Z AKTYWNIE KSZTAŁTOWANYM PRĄDEM WEJŚCIOWYM prostownk PWM z funkcją aktywnej fltracj 8

5 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Możlwośc technolog aktywnej fltracj Fltracja wyższych harmoncznych prądu Fltracja wyższych harmoncznych napęca Kompensacja mocy bernej Symetryzacja napęć prądów ln zaslającej Regulacja stablzacja napęca Redukcja wahań napęca flcker efekt (zjawsko mgotana) kompensacja pulsacj udarów mocy (prądu) Układy zwrotu energ do sec z możlwoścą fltracj Bezprzerwowe zaslane nektóre systemy EFA łączą aktywną fltrację z funkcją bezprzerwowego zaslana 10

6 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Klasyfkacja EFA Typ przekształtnka typu źródło prądu (CSI) typu źródło napęca (VSI) (domnujący) Topologa układu szeregowa równoległa hybrydowa - kombnacja szeregowego EFA równoległego FP kombnacja szeregowego równoległego EFA - unwersalny EFA modułowa (welopozomowa) Układ zaslana 1-fazowy dwuprzewodowy 3-fazowy trójprzewodowy lub czteroprzewodowy Sposób sterowana EFA: układ otwarty lub zamknęty 11

7 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Typ przekształtnka Źródło zaslana SEE S L Nelnowe obcążene C falownk prądu (CSI) typu źródło prądu C d Źródło zaslana SEE S L Nelnowe obcążene C falownk napęca (VSI) typu źródło napęca (domnujący) v d SEE - system elektroenergetyczny 12

8 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków System zaslana - 3-faz., 4-przewod. Sa La Źródło zaslana SE Sb Sc Lb Lc Nelnowe obcążene Sn Ln Cn Cc Cb Ca C dc a b c C dc z dzeloną pojemnoścą 14

9 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków System zaslana - 3-faz., 4-przewod. Sa La Źródło zaslana SE Sb Sc Lb Lc Nelnowe obcążene Sn Ln Cn Cc Cb Ca a b c n C dc przekształtnk czterogałęzowy 15

10 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków System zaslana - 3-faz., 4-przewod. Sa La Źródło zaslana SE Sb Sc a b Lb Lc Nelnowe obcążene Sn c Ln Tr Ca Cb Cc C dc przekształtnk 3-faz. złożony z trzech przekształtnków 1-faz. 16

11 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Topologa układu fltry hybrydowe połączena układów EFA z energetycznym układam bernym LC, poprawające ch właścwośc kompensacyjno-fltracyjne Źródło zaslana SE S v AF L Nelnowe obcążene np. (5) hybryda szeregowego EFA równoległego FP C v d v d Źródło zaslana SE S C L Nelnowe obcążene szeregowy EFA połączony szeregowo z równoległym FP v AF 17

12 ProInterface ESPJEE ENERGOELEKTRONICZNY SYSTEM DO POPRAWY JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ ESPJEE (15 50 kva) Interfejs UPQC w swojej pełnej wersj adresowany jest przede wszystkm do zastosowana przez operatorów systemów dystrybucyjnych OSD w celu kompleksowej poprawy jakośc dostawy energ elektrycznej na styku z prosumentem.

13 EFA koncepcja Actve Power Flter APF Energetyczny fltr aktywny (EFA) koncepcja Źródło zaslana SEE EFA Odbornk: nelnowy nesymetr. Odbornk: negenerujący wyższych harmoncznych nepoberający mocy bernej (DPF = 1, PF = 1) symetryczny brak prądu w przewodze neutralnym (3f4p) brak prądów udarowych Źródło zaslana: snusodalne symetryczne sztywne stablne brak fluktuacj napęca 38

14 Efekty Projektu - REFA Równoległy energetyczny fltr aktywny (REFA, ang. APF, Shunt APF) system 3-fazowy 3- lub 4-przewodowy FCŁ sygnały pomarowe Źródło zaslana: redukcja harmoncznych prądu kompensacja mocy bernej DPF 1 symetryzacja prądów redukcja prądu w przewodze neutralnym w ukł. 4-przewodowym Odborca: odkształcone prądy, PF < 1 moc berna, DPF < 1 asymetryczne prądy prąd w przewodze neutralnym w ukł. 4-przew. 39

15 Układ sterowana równoległego EFA Równoległa aktywna fltracja sterowane w układze otwartym Równoległa aktywna fltracja sterowane w układze zamknętym 40

16 Równoległy energetyczny fltr aktywny REFA koncepcja źródło zaslana gałąź REFA odbornk 41

17 Równoległy EFA zasada dzałana u S /5 S L L S L u S Seć zaslająca EFA I EFA p q h 2f (1) EFA refpq q h 2f (1) Elmnacja składowych nepożądanych w prądze odbornka L 42

18 43 Teora mocy chwlowej układ 3-faz., 3/4-przew. Przekształcene Clarke c b a c b a,,, u, u, u napęca prądy fazowe w układze 3-fazowym a,b,c ukł.naturalny c c, u a a, u b b, u c b a u u u e e c b a oś oś α β e β α e β β e α α e q napęca prądy fazowe w układze - β α β α,, e, e oś oś β β, e α α, e e q

19 Teora mocy p-q (TPQ) Na podstawe TPQ prąd trójfazowego odbornka L może zostać rozłożony na cztery składowe: p q h 2f (1) p q h 2f(1) p zwązana z, tj. mocą czynną P defnowaną w tradycyjny sposób q zwązana z, tj. mocą berną Q defnowaną w tradycyjny sposób w określonych warunkach zwązana z, tj. z obecnoścą wh w przebegach p~h q ~ h czasowych prądów napęć zwązana z, tj. z asymetrą prądów odbornka p~2f (1) q ~ 2f (1) 44

20 Algorytm sterowana bazujący na TPQ (AS-TPQ) Stratega sterowana APF Zmodyfkowana teora p-q Dekompozycja prądu odbornka p q h 2f (1) refpq q h 2f (1) 45

21 Układ sterowana EFA UKŁAD STEROWANIA F L u S Algorytm sterowana ref REFA Regulator prądu U Fdcref Stablzacja napęca na C F Generacja sygnałów bramkowych T 1 T 6 U Fdc 46

22 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Źródło zaslana Odbornk Teora mocy chwlowej - układ 3-faz., 3-przew. Źródło zaslana a b c p p ~ q Odbornk a b c p p~ q p a b c Kompensacja składowych p ~ q p~ + C p q h 2f (1) 48

23 System szybkego prototypowana dspace 49

24 ACTIVE POWER FILTER SIMULATION MODEL

25 System szybkego prototypowana Realzację docelowego sterownka zdecydowano sę wykonać wykorzystując dostępne na rynku układy programowalne zawerające procesor ARM oraz rekonfgurowalny układ FPGA w pojedynczym układze scalonym. Układy te są kompatyblne ze środowskem MATLAB/Smulnk co umożlwa automatyczną generację kodu na podstawe opracowanych model w postac skryptów oraz schematów blokowych. Dzęk takemu rozwązanu uzyskujemy możlwość pracy w trybe szybkego prototypowana, który pomaga skupć sę na strone merytorycznej bez konecznośc rozwązywana szczegółów mplementacyjnych. 100 x 60 mm

26 APF wersja 3f 3p APF: 3-fazowy, 3-przewodowy

27 APF wersja 3f 4p APF: 3-fazowy, 4-przewodowy

28 ACTIVE POWER FILTER PHYSICAL MODEL

29 KIC ProInterface APF prototyp AGH

30 ENERGETAB 2016 AF 66

31 ENERGETAB 2016 AF 67

32 APF struktura 70

33 APF 3f 3w AF 71

34 APF 3f 3w AF 72

35 APF 3f 4p 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, ,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, AF 73

36 APF 3f 4p AF 74

37 APF 3f 3p AF 75

38 APF 3f 4p AF 76

39 KIC ProInterface APF Plotaż w MPWK 77

40 KIC ProInterface APF 78

41 KIC ProInterface APF emal od p. G. Kuca Z danych z analzatora można wykazać: 1. Znaczną poprawę THD I ( z maks 70% bez APF do 5-9% z APF). 2. Symetryzację prądów: (z np 11A-15A-12A bez APF do 11,9-11,26-11,52 z APF) 3. Poprawę współczynnka mocy (PF - z 0,82-0,90-0,75 bez APF do 0,99-0,99-0,99 z APF) 4. Poprawę cos ph (z 1-0,93-0,97 bez APF do z APF) w załączenu wybrane zrzuty ekranowe oraz spakowane zdjęca z wyśwetlacza fltru Pozdrawam, Grzegorz Kuca 79

42 Analza pracy trójfazowego równoległego energetycznego fltru aktywnego w warunkach słabej sec zaslającej z propozycją optymalnego regulatora prądu Metoda Karusha-Kuhna-Tuckera APF 3F 4P REGULATOR OPTYMALNY APF 3f 4p, Ls=0,8mH prostownk dodowy z RC, Rdc=16/24Om, Cdc=100uF, Ldododb = 0,8 mh 80

43 APF 3f 4p, X-XI.2017, Ls=0,8mH prost. dod. z RC, Rdc=16/24Om, Cdc=100uF 82

44 APF 3f 4p, X-XI.2017, Ls=0,8mH prost. dod. z RC, Rdc=16/24Om, Cdc=100uF 83

45 APF 3f 4p, X-XI.2017, Ls=0,8mH prost. dod. z RC, Rdc=16/24Om, Cdc=100uF 84

46 APF 3f 4p, X-XI.2017 Odb. czyste C, 3x50uF połączone w trójkąt, brak dławków po strone odbornka Ldododb=0, brak dławków po strone SEE LdodSeć=0mH 86

47 APF 3f 4p, X-XI.2017 Odb. czyste C, 3x50uF połączone w trójkąt, brak dławków po strone odbornka Ldododb=0,8mH, dławk po strone SEE LdodSeć=0mH 87

48 APF 3f 4p, X-XI.2017 Odb. prost. tryst. z R, brak dławków po strone odbornka Ldododb=0,0mH, dławk po strone SEE LdodSeć=0,0mH 89

49 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Kształtowane prądu REFA F u S u L F u Fac a b c C F U Fdc u Fac U Fdc u S F 91

50 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków przykład

51 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Fltr częstotlwośc łączenowej dla EFA fltr pasywny FP Wybrane struktury FP dla fltracj składowej prądu o częstotlwośc łączenowej f sw Istotnym elementem układu energetycznego fltru aktywnego jest fltr pasywny służący kompensacj prądu o częstotlwośc przełączeń, stosowany w celu spełnena norm dotyczących kompatyblnośc elektromagnetycznej (EMC). Projekt fltru stanow poważny problem ze względu na możlwość wystąpena nterakcj mędzy mpedancją źródła, a elementam EFA. Dobrze zaprojektowany fltr częstotlwośc łączenowej wprowadza równeż tłumene dla harmoncznych wyższych rzędów które leżą poza pasmem częstotlwoścowym regulatora prądu falownka EFA. Istneje potencjalna możlwość powstana rezonansu pomędzy fltrem częstotlwośc łączenowej a secą zaslającą w przypadku obecnośc harmoncznych w napęcu zaslającym. Wobec powyższego fltr ten mus zostać wykonany tak, aby tłumć wszelke możlwe oscylacje spowodowane przez: harmonczne napęca, EFA oraz stany przejścowe prądu odbornka jego harmonczne. 94

52 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Prototyp równoległego EFA

53 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Prototyp równoległego EFA

54 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Prototyp równoległego EFA rezonans dla 14 khz (punkt P1) rezonans dla 10 khz (punkt P1)

55 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Aktywne kształtowane prądu wejścowego Pośredn przemennk częstotlwośc z funkcją aktywnej fltracj 100

56 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Mejsce nstalacj REFA Pośredn przemennk częstotlwośc z funkcją aktywnej fltracj 101

57 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Aspekty ekonomczne układ napędowy 73,5 kw (100 KM) Rozwązane technczne Standardowy prostownk 6-pulsowy 100% Dodatkowy koszt dla 3% dławka 10% Dodatkowy koszt dla 5% dławka 12% Dodatkowy koszt dla fltru pasywnego 30-60% Dodatkowy koszt dla 12-pulsowego przekształtnka, układ równoległy + transformator Względny koszt 100% Dodatkowy koszt dla 12-pulsowego przekształtnka, układ szeregowy + transformator Dodatkowy koszt dla 18-pulsowego przekształtnka, układ równoległy + transformator Dodatkowy koszt dla 18-pulsowego przekształtnka, układ szeregowy + transformator 115% 110% 125% Dodatkowy koszt dla energetycznego fltru aktywnego 110% Dodatkowy koszt dla przekształtnka IGBT % 102

58 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Przykład zastosowana nn, równoległy EFA fabryka radatorów cel - kompensacja udarów mocy bernej znacznej lczby spawarek zgrzewarek podłączonych do sec SN przez klka oddzelnych transformatorów zanstalowano równoległy EFA nn 1,4 MVA (1990 A przy 400 V) podłączony do sec SN przez transformator 15 kv/0,4 kv lczba usterek produkcyjnych (główne zła jakość spawów ze względu na spadk napęca) uległa zasadnczej redukcj, ok. 100 krotne bez EFA z EFA 103

59 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Przykład zastosowana EFA odbornk typu PC Charakteryzuje sę występowanem w wdme prądu wszystkch neparzystych harmoncznych nskego rzędu (najbardzej znaczące: 3., 5., 7., 9. harmonczna). Ten rodzaj prądu wywołuje wele problemów, takch jak przecążene przewodów neutralnych, przegrzewane sę transformatorów oraz nagrzewane sę z powodu efektu naskórkowośc. Po zastosowanu EFA obserwujemy wyraźną poprawę THD I zmnejsza sę z 92,6% do 2,9% (32-krotne), a wartość skuteczna prądu (RMS) zmnejsza sę o 21%. Całkowta korekcja wymaga wygenerowana wększej wartośc prądu przez EFA. Dzęk możlwośc programowana sposobu dzałana EFA można uzyskać selektywną fltrację. Korzyścą zastosowana takej metody jest to, że EFA generuje nższą wartość prądu (możlwa współpraca z wększym obcążenem). 104

60 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków ZMODYFIKOWANY UKŁAD KASKADY (ZUK) Układ pośrednego przemennka częstotlwośc: przekształtnk DC/DC regulacja prędkośc przekształtnk DC/AC praca z snusodalnym prądam wyjścowym współczynnkem DPF = 1 poprawa wskaźnków energetycznych PUK ZUK M SA TD M SA TD PR L dr PS PR I dr L dr D PS U dr T d U dc C dc

61 Fltracja aktywna energetyczny fltr aktywny dr nż. Andrzej Frlt, KEASPE, AGH Kraków Teza rozprawy doktorskej została potwerdzona Analza teoretyczna, przeprowadzone badana symulacyjne oraz wynk eksperymentalne układu ZUK wykazały, że układ napędowy charakteryzuje sę w szerokm zakrese regulacj prędkośc: wększym współczynnkem mocy zmnejszoną wartoścą skuteczną prądu zaslającego zmnejszonym współczynnkem odkształcena prądu zaslana w stosunku do układu klasycznego oraz w stosunku do stnejących już w różnych aplkacjach przemysłowych zmodyfkowanych kaskadowych układów napędowych.

62 to pewen stopeń doskonałośc dr nż. Andrzej Frlt Akadema Górnczo-Hutncza Katedra Energoelektronk Automatyk Systemów Przetwarzana Energ Kraków, Al. Mckewcza 30 tel.: , , fax