Plan Prezentacji Wprowadzenie Specyficzne zagadnienia i związane z rozpływemł zaburzeń ń przewodzonych w systemach Smart Grid Rozpływ zaburzeń wrozleg

Transkrypt

1 Instytut Inżynierii Elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski Zaburzenia elektromagnetyczne przewodzone w systemach elektroenergetycznych y typu Smart Grid Robert Smoleński

2 Plan Prezentacji Wprowadzenie Specyficzne zagadnienia i związane z rozpływemł zaburzeń ń przewodzonych w systemach Smart Grid Rozpływ zaburzeń wrozległych obwodach sieci nn i SN Wpływ zaburzeń generowanych deterministyczną i pseudolosową na danych przez przekształtniki z modulacją niezawodność przewodowej transmisji Zaburzenia sumaryczne generowane przez grupę przekształtników Kompensacja napięć zaburzeń generowanych przez interfejsy energoelektroniczne Wnioski

3 Wprowadzenie

4 Wprowadzenie

5 Wprowadzenie Interfejsy energoelektroniczne w Smart Grids Interfejsy energoelektroniczne stosowane są w systemach Smart Grid w celu: dopasowania parametrów i sprzęgania odnawialnych źródeł energii z siecią dystrybucyjną lub odbiorcami, dopasowania parametrów i sprzęgania magazynów energii i sterowania przepływem energii, poprawy parametrów jakości energii. 5

6 Wprowadzenie Autobus elektryczny przekształtnik bbuck uck--boost, oost, baterie litowo -jonowe oraz BMS b i litowoli j Stacja szybkiego ładowania AC/DC130 kw Komunikacja K ik j CAN 6

7 Specyficzne zagadnienia związane z rozpływem zaburzeń przewodzonych w systemach Smart Grid

8 Specyficzne zagadnienia związane z rozpływem zaburzeń przewodzonych w systemach SG Czterokwadrantowy przemiennik częstotliwości z mostkiem diodowym 25 kw Silnik asynchroniczny 10 kw Wynik pomiarowy Prąd zaburzeń CM zmierzony w przewodzie PE przy przekształtniku

9 Specyficzne zagadnienia związane z rozpływem zaburzeń przewodzonych w systemach SG Wynik pomiarowy Zaburzenia przewodzone napędu przekształtnikowego zmierzone zgodnie z PN-EN Czterokwadrantowy przemiennik częstotliwości o mocy 25kW Maszyna indukcyjna o mocy 10kW

10 Specyficzne zagadnienia związane z rozpływem zaburzeń przewodzonych w systemach SG Wynik pomiarowy Spektrum prądu ą zaburzeń CM zmierzone w przewodzie PE przy przekształtniku

11 Rozpływ zaburzeń generowanych przez interfejsy energoelektroniczne Wynik pomiarowy Wyniki pomiaru rozpływu zaburzeń generowanych przez przekształtnik w sieci nn hali laboratoryjnej

12 Rozpływ zaburzeń generowanych przez interfejsy energoelektroniczne Wynik pomiarowy Spektrum prądu zaburzeń CM zmierzone w przewodzie PE kabla zasilającego halę laboratoryjną 300m od źródła zaburzeń: a. przekształtnik wyłączony, b. przekształtnik włączony

13 Rozpływ zaburzeń generowanych przez interfejsy energoelektroniczne Wynik pomiarowy Natężenie pola magnetycznego po stronie nn i SN transformatora w stacji typu miejskiego nn SN

14 Rozpływ zaburzeń generowanych przez interfejsy energoelektroniczne Wynik pomiarowy Wzrost natężenia pola magnetycznego pod linią napowietrzną SN w stosunku do zaburzeń tła po włączeniu przekształtnika 20m od źródła zaburzeń 1500m od źródła zaburzeń

15 Sumaryczne zaburzenia generowane przez grupę przekształtników Trójfazowe przemienniki częstotliwości ę z mostkiem diodowym 7,5 kw Silniki asynchroniczne 1 kw Układ do pomiaru zaburzeń generowanych przez grupę przekształtników z modulacją deterministyczną i pseudolosową 15

16 Sumaryczne zaburzenia generowane przez grupę przekształtników Wykresy pudełkowe: a.) pojedynczy przekształtnik, b.) grupa przekształtników Wynik pomiarowy Average Detect tor Level [dbuv] Interface 1 Interface 2 Interface 3 Max 75% 25% 50% Min Max 75% 50% 25% Min Max 75% 50% 25% Min Average Detect tor Level [dbuv] Max Interfaces 1&2 Interfaces 2&3 Interfaces 1&3 Interfaces 1&2&3 75% 50% 25% Max Min 75% 50% 25% Max 75% 50% 25% Min Max 75% 50% 25% Min Min PEI 1 PEI 2 PEI 3 PEI 1&2 PEI 2&3 PEI 1&3 PEI 1&2&3 Wyniki 1000 pomiarów finalnych detektorem wartości średniej zgodnie z wymaganiami normalizacyjnymi

17 Sumaryczne zaburzenia generowane przez grupę przekształtników Wynik pomiarowy Spektrogramy przy częstotliwości łączeń falownika: a) jeden przekształtnik, b.) dwa przekształtniki, c.) trzy przekształtniki

18 Zaburzenia sumaryczne modulacja deterministyczna i pseudolosowa Wynik pomiarowy Wpływ selektywności odbiornika zaburzeń na wynik pomiaru zaburzeń zmodulowanych Widmo sumarycznych zaburzeń przewodzonych zmierzonych detektorem wartości szczytowej i średniej trzech przekształtników z modulacją: a.) deterministyczną b.) pseudolosową 18

19 Zaburzenia sumaryczne modulacja deterministyczna i pseudolosowa Wynik pomiarowy Wpływ selektywności odbiornika zaburzeń na wynik pomiaru zaburzeń zmodulowanych Widmo sumarycznych zaburzeń przewodzonych zmierzonych detektorem wartości szczytowej i średniej trzech przekształtników z modulacją: a.) deterministyczną b.) pseudolosową 19

20 Zaburzenia sumaryczne modulacja deterministyczna i pseudolosowa Wynik pomiarowy Wykresy pudełkowe wyników pomiarów finalnych zaburzeń przewodzonych wykonanych detektorem wartości średniej dla szerokości pasma filtru IF BW = 200 Hz oraz IF BW=9kHz 20

21 Zakłócenia komunikacji spowodowane zaburzeniami generowanymi przez interfejsy energoel. Wynik pomiarowy Komunikacja w standardzie PROFIBUS pomiędzy dwoma sterownikami PLC Wykres pudełkowy czasów oczekiwania na wystąpienie krytycznego błędu komunikacji w systemie z przekształtnikami z modulacją deterministyczną i pseudolosową

22 Zakłócenia komunikacji spowodowane zaburzeniami generowanymi przez interfejsy energoel. Wynik pomiarowy Prąd zaburzeń i napięcie w układzie komunikacji RS-232 z nałożonymi zaburzeniami

23 Zakłócenia komunikacji spowodowane zaburzeniami generowanymi przez interfejsy energoel. Wykresy pudełkowe czasów oczekiwania na wystąpienie błędu komunikacji wywołanych przez zaburzenia generowane przez przekształtnik z modulacją deterministyczną i pseudolosową dla częstotliwości łączeń: a. 40kHz, b. 50kHz Ramka 10 bitów Wynik pomiarowy

24 Zakłócenia komunikacji spowodowane zaburzeniami generowanymi przez interfejsy energoel. Wykresy pudełkowe czasów oczekiwania na wystąpienie błędu komunikacji wywołanych przez zaburzenia generowane przez przekształtnik z modulacją deterministyczną i pseudolosową dla częstotliwości łączeń: a. 40kHz, b. 50kHz c. 61kHz Wynik pomiarowy Ramka 100 bitów

25 Model matematyczny zaburzeń sumarycznych z wykorzystaniem błądzenia losowego Pearsona Wynik symulacyjny Napięcie wyjsciowe i prąd zaburzeń przekształtnika DC/DC

26 Model matematyczny zaburzeń sumarycznych z wykorzystaniem błądzenia losowego Pearsona

27 Model matematyczny zaburzeń sumarycznych z wykorzystaniem błądzenia losowego Pearsona Wykresy opisujące prawdopodobieństwo zmniejszenia amplitudy k-tej harmonicznej dla: a.) 5-ciu przekształtników, b.) 15-tu przekształtników, c.) 30-tu przekształtników a.) a) Wynik symulacyjny b.) c.)

28 Model matematyczny zaburzeń sumarycznych z wykorzystaniem błądzenia losowego Pearsona Wynik symulacyjny Modulacja deterministyczna a. b. c. Widmo sumarycznego prądu CM: a. pojedynczy przekształtnik, b. trzy przekształtniki o identycznej częstotliwości łączeń, c. trzy przekształtniki o różnej częstotliwości łączeń Modulacja pseudolosowa a. b. Widmo sumarycznego prądu CM: a. pojedynczy przekształtnik, b. trzy przekształtniki

29 Kompensacja napięć zaburzeń generowanych przez interfejsy energoelektroniczne

30 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (falownik napięcia) Pasywny kompensator napięcia CM na wyjściu falownika napięcia Schemat zastępczy dla składowej CM

31 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (falownik napięcia) Wynik pomiarowy a. Spadki napięć na uzwojeniach dławika CM, b. Napięcie kompensujące CM Wyjściowe napięcia międzyfazowe: a. 50Hz, b. 25Hz

32 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (falownik napięcia) Wynik pomiarowy Napięcie CM: a. układ bez filtru, b. układ z pasywnym kompensatorem CM Prąd CM: a. układ bez filtru, b. układ z pasywnym kompensatorem CM

33 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (falownik napięcia) Wynik pomiarowy Napięcie CM i prąd magnesujący I m dla częstotliwości wyjściowej falownika: a. 50Hz, b. 25Hz, c. 0Hz

34 Amplitud Pasywny kompensator napięć zaburzeń (wielopoziomowe falowniki napięcia) Wynik symulacyjny de [%] de [%] Dwupoziomowy AmplitudDwupoziomowy Trójpoziomowy ( ) P t = 1 2 t 1 2 FP i 2 1 N 2 2 = 3N Frequency [Hz] ( t ) = P ( t ) + N i N () U CM t = 1 N k= 1 i= 1 Modulation index Mo 2 i H Asin 2π finv t + kπ FPRN ( t) 1 3 Amplitude [% %] Frequency [Hz] Frequency [Hz] Modulation index Modulation index Czteropoziomowy Maksymalna wartość całki napięcia CM w zależności od częstotliwości wyjściowej i współczynnika głębokości modulacji

35 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (wielopoziomowe falowniki napięcia)

36 ] Pasywny kompensator napięć zaburzeń (wielopoziomowe falowniki napięcia) Wynik symulacyjny Amplitude [%] Amplitude [%] APOD PD Frequ quency [Hz] Freq equency [Hz] 20 Modulation index plitude [%] POD Modulation index 15 Amp Frequency [Hz] Modulation index Maksymalna wartość całki napięcia CM falownika pięciopoziomowego w zależności od częstotliwości wyjściowej i współczynnika głębokości modulacji

37 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (wielopoziomowe falowniki napięcia) Wynik symulacyjny a) b) c) Najniższy poziom Napięcie CM oraz całka z napięcia CM na wyjściu falowników pięciopoziomowych dla najgorszych przypadków modulacji: a. PD, b. APOD, c. POD

38 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (wielopoziomowe falowniki napięcia) Wynik symulacyjny a) b) c) Najniższy poziom Napięcie CM oraz całka z napięcia CM na wyjściu falowników pięciopoziomowych dla współczynnika modulacji M=1: a. PD, b. APOD, c. POD

39 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (prostowniki sterowane) Wynik symulacyjny yj y a.napięcie pomiędzy ujemnym biegunem DC a uziomem i napięcie kolektor-emiteremiter b.napięcie pomiędzy ujemnym biegunem DC a uziomem i napięcie kolektor-emiter emiter (powiększenie)

40 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (prostowniki sterowane) Wynik pomiarowy Napięcia pomiędzy dodatnim i ujemnym biegunem DC a uziomem

41 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (prostowniki sterowane) Wynik symulacyjny yj y C AC1,2,3 =20nF, C DC1,2 =500nF, L f1,2 =100mH a.napięcie pomiędzy ujemnym biegunem DC a uziomem i napięcie kolektor-emiteremiter b.napięcie pomiędzy ujemnym biegunem DC a uziomem i napięcie kolektor-emiter emiter (powiększenie)

42 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (prostowniki sterowane) Symulacja Wynik symulacyjny yj y C AC1,2,3 =20nF, C DC1,2 =5μF, L f1,2 =5mH a.napięcie pomiędzy ujemnym biegunem DC a uziomem i napięcie kolektor-emiteremiter b.napięcie pomiędzy ujemnym biegunem DC a uziomem i napięcie kolektor-emiter emiter (powiększenie)

43 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (prostowniki sterowane) Wynik pomiarowy Napięcie ę pomiędzy ę ujemnym biegunem DC a uziomem: a. bez filtra, b. z filtrem

44 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (czterokwadrantowe przemienniki częstotliwości) Wynik pomiarowy

47 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (czterokwadrantowe przemienniki częstotliwości) Wynik pomiarowy Napięcie ę pomiędzy ę ujemnym biegunem DC a uziomem: a. bez filtra, b. z filtrem

48 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (przekształtnik DC/DC DC) Wynik pomiarowy Napięcia pomiędzy dodatnim i ujemnym biegunem DC a uziomem (U +DC, U -DC DC) oraz napięcie DC (U DC )

49 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (przekształtnik DC/DC DC) a. Napięcie pomiędzy dodatnim biegunem a uziomem (U CMconv ), b. Napięcie kompensujące (U com ), c. prąd magnesujący (I m ), d. Napięcie pomiędzy dodatnim biegunem a uziomem na wyjściu filtra (U CMout )

50 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (przekształtnik DC/DC DC) Wynik pomiarowy Bez filtra Bez filtra Z filtrem Z filtrem Widma prądu zaburzeń

51 Pasywny kompensator napięć zaburzeń (przekształtnik DC/DC DC) Wynik pomiarowy Bez filtra Z filtrem Bez filtra Z filtrem Prąd zaburzeń

52 Wnioski Wpracy, w ramach analiz teoretycznych: korzystając z błądzenia losowego Pearsona, opracowano metodę pozwalającą wyznaczyć prawdopodobieństwo redukcji k-tej harmonicznej sumarycznego prądu zaburzeń generowanego przez N przekształtników DC/DC DC, wyznaczono uogólnione zależności ż ś opisujące napięcie i CM na wyjściu N-poziomowych falowników napięcia z modulacją PD, POD i APOD, zależności te stanowią podstawę doboru elementów indukcyjnych kompensatorów napięcia CM, opracowano dedykowaną d wydajną metodę numeryczną wyznaczania miejsc zerowych dla modulacji simusoidalnych PWM,.

53 Wzakresie badań eksperymentalnych: wykorzystano pomiary składowej magnetycznej pola do pomiaru rozprzestrzeniania się zaburzeń przewodzonych w sieciach nn i SN. Badania eksperymentalne pokazały, że zaburzenia przewodzone pomimo alternatywnych dróg rozpływu mogą rozprzestrzeniać się w rozległych obwodach. Zaburzenia generowane po stronie niskich napięć mogą przenosić się za pośrednictwem sprzężeń pojemnościowych, niezgodnie zprzekładnią transformatora i być obserwowane w sieciach SN w znacznych odległościach od źródła zaburzeń. przedstawiono wyniki badań sumarycznych zaburzeń generowanych przez grupę identycznych przekształtników energoelektronicznych. Zaprezentowane wyniki badań pokazały, że ze względu na dudnienie częstotliwości łączeń poszczególnych przekształtników, generowane zaburzenia modulowane są wolnozmiennymi obwiedniami. W tej sytuacji zastosowanie klasycznych metod pomiaru zaburzeń przewodzonych może dawać błędne wyniki. porównano zaburzenia generowane przez grupę przekształtników z modulacją deterministyczną i pseudolosową. Wyniki badań eksperymentalnych pokazały, że opisywana w literaturze przewaga modulacji pseudolosowej nad deterministyczną jest jedynie efektem pomiarowym wynikającym z selektywności odbiornika zaburzeń. Analizy statystyczne pomiaru błędów komunikacji oraz analizy modelu teoretycznego potwierdzają, żew kontekście niezawodności komunikacji modulacja pseudolosowa nie ma przewagi nad modulacją deterministyczną.

54 zweryfikowano możliwość rozszerzenia koncepcji pasywnej kompensacji napięć zaburzeń na wyjściu falowników na pozostałe ł układy interfejsów energoelektronicznych stosowanych w systemach Smart Grid, zastosowanie pasywnych kompensatorów napięć zaburzeń zintegrowanych z PEI spowoduje, że niezależnie ż i od impedancji w.cz. obwodów wejściowych i wyjściowych w znaczący sposób ograniczone zostaną poziomy wprowadzanych przez nie zaburzeń, zapobiegając ich rozpływowi i niekontrolowanemu sumowaniu się w różnych punktach systemu. koncepcję kompensatora napięć zaburzeń zaadoptowano do stosowanych w układach Smart Grid interfejsów energoelektronicznym takich jak: czterokwadrantowe przemienniki częstotliwości ę (AC/DC/AC), dwukierunkowe prostowniki sterowane (AC/DC), przekształtniki DC/DC typu boost.