Kompensacja zaburzeń JEE Statcom i DVR Szkolenie Tauron Dystrybucja Kraków AGH 2018 dr inż. Krzysztof Piątek kpiatek@agh.edu.pl
Dynamiczny stabilizator napięcia
Najczęściej występujące zaburzenia Środowisko przemysłowe 1. Zapady napięcia 2. Przerwy w zasilaniu 3. Wartość napięcia 4. Odkształcenie napięcia 5. Przepięcia 6. Asymetria 7. Wahania napięcia 8. Zmiany częstotliwości Środowisko komunalne 1. Wartość napięcia 2. Zapady napięcia 3. Wahania napięcia 4. Przerwy w zasilaniu 5. Przepięcia 6. Odkształcenie napięcia 7. Asymetria 8. Zmiany częstotliwości 3
Zapady napięcia a przerwy Podstawowa różnica ciągłość zasilania W trakcie zapadu bądź wzrostu napięcia obwód zasilania jest ciągły Podczas przerwy obwód zasilania jest przerwany definicja rozróżnia zapad od przerwy na podstawie pomiaru zmierzone napięcie <0.1U N oznacza tak naprawdę brak zasilania Stacja SN/nn Linia 1 Przerwa Linia 2 Zapad napięcia 4
Przykłady Napięcie rms (20 ms) 5
Zasada działania stabilizatora szeregowego stabilizator 6
Szeregowy stabilizator napięcia podstawowa funkcjonalność Kompensacja zapadów i wzrostów napięcia kompensacja dynamiczna brak możliwości kompensacji przerw Stabilizacja napięcia kompensacja statyczna, kompensacja wahań, symetryzacja, podniesienie lub obniżenie napięcia. Wraz z filtrem pasywnym LC blokowanie przepływu harmonicznych filtracja aktywna, hybrydowa Z dodatkowymi układami można rozszerzyć o funkcjonalność UPS zapewnienie zasilania podczas przerw. 7
Szeregowy stabilizator napięcia budowa ogólna Zasilanie Transformatory dodawcze Odbiorniki Zasilanie strony DC Filtry częstotliwości łączeniowej Falownik wyjściowy Wytwarzanie napięcia dodawczego Wspólna strona DC 8
Typy układów DVR Dodawanie napięcia poprzez transformator dodawczy bez transformatora Układ DVR musi dostarczać energię do odbiornika uczestniczy w wymianie energii miedzy siecią a odbiornikiem Ze względu na sposób zasilania podczas kompensacji można układy podzielić na: SES (stored energy supply) energia pobierana jest z baterii kondensatorów kompensacja dorywcza LES (line energy supply) energia pobierana jest z sieci kompensacja ciągła 9
Typy układów DVR SES, ze zmiennym napięciem DC Odb. 10
Typy układów DVR SES, ze stabilizowanym napięciem DC Odb. 11
Typy układów DVR LES, zasilanie od strony sieci (US) Odb. 12
Typy układów DVR LES, zasilanie od strony odbiornika (DS) Odb. 13
Kilka problemów praktycznych Dobór transformatora dodawczego problem nasycania się rdzenia w stanach dynamicznych, gabaryty układy beztransformatorowe, ale problem separacji faz specjalne zabezpieczenia ograniczające szybkość kompensacji Dynamika układu zakończenie zapadu może skutkować impulsowym podniesieniem napięcia odbiornika ograniczenie możliwości kompensacji Wymiana mocy między siecią a odbiornikiem wymiarowane obu falowników Działanie podczas stanów awaryjnych interakcja z zabezpieczeniami sieciowymi zwarcie po stronie odbiornika zwarcie i przerwa po stronie sieci problem wykrywania, reagowania i powrotu do pracy 14
Przykłady zastosowań praktycznych Demonstrator DVR wynik projektu międzynarodowego KIC ProInterface Układ platformowy Dawson Creek, Kanada Maszyna papiernicza Caledonian Paper Mill, Irvine, Szkocja 15
KIC Prointerface demonstrator laboratoryjny Projekt międzynarodowy KIC AGH, Elsta Elektronika, Tauron Dystrybucja jako partnerzy Wytworzenie interfejsów energoelektronicznych dla prosumentów APF filtr aktywny DVR dynamiczny stabilizator napięcia UPQC planowany, prace wstrzymano Dynamiczny stabilizator napięcia kompensacja zapadów i wzrostów kompensacja wahań, asymetrii i spadków napięcia zasilanie z sieci (LES, US) prądem sinusoidalnym 16
KIC Prointerface demonstrator laboratoryjny Zasilanie Transformatory dodawcze Odbiorniki Filtry częstotliwości łączeniowej Filtry częstotliwości łączeniowej Prostownik o sinusoidalnym prądzie wejściowym (falownik) Wspólna strona DC Falownik wyjściowy 3 falowniki 1-faz. 17
KIC Prointerface Demonstrator DVR Falowniki napięcia Elementy filtrów (kondensatory, cewki) Transformatory dodawcze
KIC Prointerface demonstrator laboratoryjny 19
KIC Prointerface demonstrator laboratoryjny Kompensacja trójfazowego zapadu napięcia (symetrycznego) Napięcie zasilania Napięcie odbiornika 20
KIC Prointerface demonstrator laboratoryjny Kompensacja trójfazowego zapadu napięcia (symetrycznego) Napięcie zasilania i odbiornika Napięcie dodawcze 21
Układ platformowy DVR Projekt demonstracyjny: sieć zasilająca wyższą uczelnię w Dawson Creek, Kanada moc odbiorników: 500 kva napięcie sieci: 15-34.5 [kv] kompensacja: wzrostów: do 110% U N zapadów: do 50% U N szybkość reakcji: 1/8 cykla ( <2 [ms] ) układ typu LES 22
Zakład papierniczy Caledonian Paper Mill Zapady napięcia Linia zasilająca: 132 kv Poziom napięcia: 11 kv Średnio 40 zapadów/rok Głębokość: <50% Czas trwania: do 0.3 s Najczęstszy powód: uszkodzenia linii przez wiatr Wrażliwy odbiornik to maszyna papiernicza 23
Zakład papierniczy Caledonian Paper Mill Układ DVR Wydzielona linia zasilająca: moc 8 MVA Układ DVR: 2 moduły po 2 MVA moc całkowita: 4 MVA Max napięcie dodawcze: 3156 V co stanowi 48% napięcia zasilania Max energia baterii: 800 kj 24
Statyczny kompensator STATCOM
Kompensator Statcom Statyczny kompensator synchroniczny ang. static synchronous compensator, STATCOM lub static synchronous condenser, STATCON Urządzenie energoelektroniczne służące do wytwarzania mocy biernej (indukcyjnej lub pojemnościowej) w dziedzinie podstawowej harmonicznej. Podstawowe zastosowanie: kompensacja mocy biernej odbiorników szybkozmiennych, stabilizator napięcia w sieciach elektroenergetycznych, dynamiczne źródło mocy biernej w systemie (podczas zwarć w liniach przesyłowych). 26
Kompensator Statcom Budowa Sieć U O Odbiornik Dławik X k Transformator Filtr częstotliwości łączeniowej U P U k Falownik napięcia 27
Kompensator Statcom Duże możliwości kompensacji nadążnej sterowane źródło prądu biernego, moc bierna proporcjonalna do napięcia sieci Bardzo duża dynamika wynikająca z zastosowania elementów w pełni sterowanych umożliwia kompensację odbiorników szybkozmiennych przy zastosowaniu do źródeł odnawialnych może poprawiać warunki pracy podczas np. zapadów napięcia Możliwość rozszerzenia funkcjonalności (poprzez sterowanie falownikiem) filtracja wyższych harmonicznych prądu symetryzacja odbiornika 28
Kompensator Statcom Schemat zastępczy X s I k U O X k U z U P Zasilanie Reaktancja sieci Kompensator Statcom Odbiornik 29
Kompensator Statcom Wykres wskazowy I k I k U k U P U O U P U k U O U O I k = 0 U k = 0 U P U P > U O Charakter pojemnościowy U P = U O Stan jałowy U P < U O Charakter indukcyjny 30
Przykład aplikacji kompensacja mocy biernej Kompensacja wahań napięcia pieca łukowego Układ wyłączony Układ załączony 31
Przykład aplikacji stabilizacja systemu elektroenergetycznego Cerro Navia, Chile Przeznaczenie: stabilizacja systemu przesyłowego, zwiększenie możliwości przesyłowych systemu Moc układu: 65 MVar ind., 140 MVar poj. Przyłączenie: linia 220 kv Zadania systemu: regulacja napięcia w sieci 220 kv dynamiczna moc bierna podczas zwarć i stanów łączeniowych zwiększenie możliwości przesyłowych sieci ABB, FACTS for grid voltage stabilization and increased power transmission capability in Chile, http://new.abb.com/facts/references/reference_cerro_navia 32
Przykład aplikacji poprawa warunków pracy farmy wiatrowej Wymagania operatora systemu (warunki przyłączeniowe) utrzymanie generacji przy zadanych warunkach napięciowych regulacja współczynnika mocy Oddziaływanie farmy wolne zmiany i wahania napięcia kompensacja dynamiczna wynikająca ze zmienności mocy np. w wyniku zmian prędkości wiatru Ograniczone możliwości wytwarzania mocy biernej przez same źródła dla farmy wiatrowej wynika z chwilowej prędkości wiatru i ograniczeń konstrukcyjnych konieczność instalowania dodatkowych urządzeń kompensacyjnych Moc bierna kablowych linii łączących farmę z systemem kompensacja mocy pojemnościowej kabla podczas postoju kompensacja mocy biernej podczas pracy (charakter indukcyjny i pojemnościowy) 33
Przykład aplikacji poprawa warunków pracy farmy wiatrowej Prace badawcze w ramach projektu NCBiR: Badania nad opracowaniem wytycznych, technik i technologii dla systemów kompensacji mocy biernej, inteligentnego monitoringu wewnętrznych sieci elektroenergetycznych oraz ogniw fotowoltaicznych dedykowanych obiektom hybrydowym opartym wyłącznie o źródła odnawialne Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013 Priorytet 1 - Badania i rozwój nowoczesnych technologii, Poddziałanie 1.3.1 - Projekty Rozwojowe 34
Przykład aplikacji poprawa warunków pracy farmy wiatrowej Moc znamionowa Napięcie zasilania Częstotliwość Częstotliwość łączeniowa PWM Prąd znamionowy Prąd szczytowy Tętnienia prądu Czas reakcji Temperatura pracy Chłodzenie 300 kvar 3 x 400 V 50 Hz 5 khz 450 A 1000 A < 0.5 A 63 s 5 C to 40 C powietrzne wymuszone 35
Kabel SN 2.6 km Przykład aplikacji poprawa warunków pracy farmy wiatrowej Rozdzielnia główna FW Podstacja pomocnicza STATCOM GPZ Stacja Sierpc GPZ S=250 MVA 15 kv Linia kablowa SN XRUHAKXS, 3x1x240 mm 2 15kV, długość ok. 6.6 km Krótkie połączenie kablem SN Kabel SN, 30 m Wieża 1 Rozdzielnia pomocnicza FW Turbina wiatrowa: Nordex N90 Typ DFIG 2500 kw ograniczenie do 2000 kw Kabel SN, 450 m Wieża 2 Kabel SN, 421 m Wieża 3 36
TAN Q [kvar] Przykład aplikacji poprawa warunków pracy farmy wiatrowej Przebieg tangensa mocy i mocy biernej 0,2 150 0,1 100 0 14:42 14:47 14:52 14:57 15:02 15:07 50-0,1-0,2 0-50 Linia FW Stacja GPZ Sierpc GPZ -0,3-100 -0,4-0,5 Linia FW Stacja GPZ Sieprc GPZ -150-200 14:41 14:46 14:51 14:56 15:01 15:06 37
P [kw] Q [kvar] Przykład aplikacji poprawa warunków pracy farmy wiatrowej Przebieg czynnej i wykres mocy P-Q 14:42 14:47 14:52 14:57 15:02 15:07-300 150 Linia FW -400 GPZ Sierpc Stacja GPZ 100 50-500 Q = -0,1375 P - 2417 0-600 -50-700 Q = -0,0144 P - 145794-100 -800 Linia FW Stacja GPZ Sierpc GPZ -150-900 -1 000-800 -600-400 -200 0 P [kw] -200 38
Dziękuję za uwagę dr inż. Krzysztof Piątek Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Katedra Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii kpiatek@agh.edu.pl 39