Sposoby poprawy jakości dostawy energii elektrycznej

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Zbigniew HANZELKA Sposoby poprawy jakości dostawy energii elektrycznej Październik 2018

SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA U U N X Q U 2 N = Q S zw U U N * X ( Q Q U 2 N C ) = Q S Q zw C U 2 P 2 + j Q 2 U 1 R R + j X P l + j Q l P l + j (Q l -Q c ) Q c C

SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA DYNAMICZNE STABILIZATORY NAPIĘCIA Statyczne Wirujące Energoelektroniczne Nasycone dławiki Liniowokomutow ane Samokomutuj ace STATCOM DVR TSC TSC/TCR

Amps Amps Volts Volts Event Details/Waveforms Event Details/Waveforms 10000 10000 5000 5000 0 0-5000 -5000-10000 -10000-15000 A-B V B-C V C-A V -15000 A-B V B-C V C-A V 1000 1000 500 500 0 0-500 -500-1000 -1000 A I B I C I 09:58:02.32 2011-04-02 Saturday A I B I C I 09:58:02.34 09:58:02.36 09:58:02.38 09:58:02.40 Event #81 at 2011-04-02 09:58:02.330 C-A V Mult Z Cr Impulse 09:58:02.335 2011-04-02 Saturday 09:58:02.340 09:58:02.345 09:58:02.350 Event #81 at 2011-04-02 09:58:02.330 C-A V Mult Z Cr Impulse

THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) Sieć zasilająca Odbiornik Układ sterowania TSC

THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) 120 U c0 100 80 60 u(t) 40 20 0 0-20 5 10 15 20 25 30-40 -60 i(t) -80-100 -120 120 100 U C0 80 60 u(t) 40 20 0 0-20 5 10 15 20 25 30-40 -60 i(t) -80-100 -120 a) b) u = U m sin( t + u ) i(t ) = I m cos( t + u ) nb C U C0 2 n U 2 n 1 m sin u sin n t I m cos u cos n t n = X C / X L n = 1/ LC = n

THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) u i u t u co =u u c u moment załączenia (a) moment wyłączenia u co < u u c i u = u c t moment załączenia (b) moment wyłączenia u co > u u u c t i moment załączenia moment wyłączenia (c)

FC/TCR COMPENSATOR PCC u 0 C T Load i FC L i TCR L i 0 FC TCR FC/TCR (a) u 0 i TCR ( = ) P 2 i T C R ( 1) i TCR( ) a 2 a 3 w t a 2

FC/TCR COMPENSATOR Supply network T T T Load Control system Voltage/reactive power reference L L L TCR FC / TCR FC

FC/TCR COMPENSATOR

TSC/TCR

Harmoniczne

Źródło zaburzenia (emiter) Układ sprzęgający (radiacja lub przewodzenie) Odbiornik czuły na zaburzenia Środowisko elektromagnetyczne

SPOSOBY REDUKCJI NEGATYWNYCH SKUTKÓW WYŻSZYCH HARMONICZNYCH Metody redukcji harmonicznych Wzrost mocy zwarcia w PWP Filtry wh Odpowiednie skojarzenie uzwojeń transformatora Redukcja wartości wh w prądzie odbiornika np. w przekształtnikach aktywne pasywne hybrydowe Aktywne interfejsy wejściowe Kształtowanie prądu w strukturze przekształtnika Obwody pasywne Aktywne kształtowanie prądu wejściowego Metody magnetyczne Przekształtniki z jednostkowym współczynnikiem mocy Układy wielopulsowe Kompensacja strumieni

Energetyczne filtry pasywne THD U2 = 17,45 %

FILTRY PASYWNE WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

FILTRY WYŻSZYCH HARMONICZNYCH FILTRY WH Aktywne Pasywne Wejściowe Hybrydowe np. w układach energoelektronicznych Wejściowe, np. w układach energoelektronicznych Szeregowe Równoległe Szeregowo-równoległe Proste, jednogałęziowe Tłumione Podwójnie nastrojone Pierwszego rzędu Drugiego rzędu Trzeciego rzędu

Redukcja skutków harmonicznych n I (n) [%] 3 73,2 5 36,6 7 8,1 9 5,7 11 4,1 13 2,9 15 0,8 n = 2k ± 1 k = 1, 2, 3,... 17 0,4

PASYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO rejestrator źródło zasilania 400/230 V łącznik zwierający i rozwierający filtr układ napędowy z silnikiem indukcyjnym (pośredni przemiennik częstotliwości) WEJ. WYJ. Pasywny filtr wejściowy

źródło zasilania 400/230 V rejestrator układ napędowy źródło zasilania 400/230 V rejestrator układ napędowy WE WY J. J. Pasywny filtr wejściowy 7A 1,7A 5A 0,4A

rejestrator źródło zasilania 400/230 V układ napędowy Filtr pasywny

Przekształtniki PFC L Dout Cin Cout DC/DC Zasilacz impulsowy

Przekształtniki PFC L S t 1 Górna granica Przebieg referen. 0 0 t 2 Dolna granica

Przekształtniki PFC

Mostek tranzystorowy (PWM) T1 T3 OUTPUT POWER T2 T4 Dwie strategie sterowania: - bipolarna - unipolarna

AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO Voltage (V) 326.99 Output vs Time Current (A) 4.83 217.99 3.22 109.00 1.61-0.00 0.00-109.00-1.61-217.99-3.22-326.99-4.83 0.0s 5.0ms 10.0ms 15.0ms 20.0ms 25.0ms 30.0ms Time

AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO dławik wejśc. DC inverter 3~ line

AKTYWNE KSZTAŁTOWANIE PRĄDU WEJŚCIOWEGO PFC DC inverter 3~ line

Redukcja skutków harmonicznych filtr szeregowy

FILTRACJA PASYWNA FILTR SZEREGOWY Szeregowy filtr pasywny Szeregowy filtr aktywny Układ energoelektroniczny Z F Charakterystyka impedancji filtru szeregowego Z F w funkcji częstotliwości Z F Z F U Impedancja zastępcza sieci zasilającej Z S Impedancja zastępcza filtru szeregowego Z F I (n) Odbiornik nieliniowy n R n Równoległy filtr pasywny o rzędzie częstotliwości rezonansowej - n R

Redukcja skutków harmonicznych

FUNKCJE FILTRU PASYWNEGO eliminacja harmonicznych prądu (napięcia) kompensacja mocy biernej harmonicznej podstawowej

FILTRY PASYWNE WYŻSZYCH HARMONICZNYCH filtry tłumione szerokopasmowe Filtr podwójnie nastrojony Filtr prosty 1. rzędu 2. rzędu 3. rzędu 3. rzędu (typu C)

ODKSZTAŁCENIE PRZEBIEGÓW CZASOWYCH NAPIĘĆ I PRĄDÓW THD U2 = 17,45 %

FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Impedancja filtru Z F C (X C ) Z F L (X L ) nr (b) n R Impedancja filtru Z F oraz sieci zasilającej (a) n (c)

FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) Uwh=IwhZ Z F Z S S 2 S ZW ZW1 S ZW 3 S S S ZW1 ZW 2 ZW3 Impedancja Z Z2 Z1 Zmin f f R f SZ

filtr pasywny System zasilający Odbiornik nieliniowy PWP (n) I ) S (n I ) I F (n ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( n n S n n S n F n F n S I I Z Z Z I = + = ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( n n F n n S n F n S n F I I Z Z Z I = + = 1 ) ( ) ( = + n F n S FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY)

Pasywne filtry wyższych harmonicznych System zasilający PWP F5 (U5) F5 Odbiornik nieliniowy F5 (U7) F5 (I)

FILTR PROSTY (JEDNOGAŁĘZIOWY) I (n) I S = I (n) I F Źródło harmoniczne I F I S I S I F5 I F7 I FSP I (n) Harmoniczne prądu n = 5, 7, 11, 13,... I F (b) R Z [ ] 10 Impedancja sieci zasilającej i filtrów Impedancja sieci zasilającej I F5 I F7 I FSP 5 f [Hz] (a) F5 F7 Filtr szerokopasmowy (FSP) (c) 100 200 300 400 500 600

FILTRY PASYWNE WYŻSZYCH HARMONICZNYCH filtry tłumione szerokopasmowe Filtr podwójnie nastrojony Filtr prosty 1. rzędu 2. rzędu 3. rzędu 3. rzędu (typu C)

Symetryzacja

Symetryzacja PRZYKŁAD 1 Dla układu trzech odbiorników jednofazowych o napięciu znamionowym 400 V i mocach odpowiednio: P 1 = 8 kw, Q 1 = 8 kvar (ind.); P 2 = 8 kw, Q 2 = 8 kvar (cap.); P 3 = 8 kw, Q 3 = 0 połączonych w trójkąt, zasilanych z trójfazowej sieci 3x400/230V określić sposób ich przyłączenia gwarantujący minimalną wartość asymetrii prądowej.

Symetryzacja Symetryzacja naturalna U N Load (P, Q) U N B G Schemat zastępczy

S j V kvar j V kw U Q j U P jb G Y A A A 0.05) (0.05 ) (400 8 ) (400 8 2 2 2 1 2 1 1 1 1 = = = + = S j V kvar j V kw U Q j U P jb G Y A A A 0.05) (0.05 ) (400 8 ) (400 8 2 2 2 2 2 2 2 2 2 + = + = + = + = S V kvar j V kw U Q j U P jb G Y A A A 1 0. ) (400 0 ) (400 8 2 2 2 3 2 3 3 3 3 = + = + = + = Symetryzacja naturalna Symetryzacja

Variant 1 Symetryzacja Symetryzacja naturalna 1 2 3 Y12 A = Y1A Y 23 A = Y 2A Y 31 A = Y 3A

Symetryzacja Symetryzacja naturalna Variant 1 k I (2) 2 I a Y 12A + Y 23A + ay 31A % = 100% = 100% = (1) I Y 12A + Y 23A + Y 31A 68.3%

Symetryzacja Symetryzacja naturalna k I Variant 2 Y12 A = Y1A Y 23 A = Y 3A Y 31 A = Y 2 A (2) 2 I a Y 12A + Y 23A + ay 31A % = 100% = 100% = 18.3% (1) I Y 12A + Y 23A + Y 31A

Asymetryczn y odbiornik Symetryzacja A I A I Ao B C I B I C I Bo I Co UL I Ak I Bk I Ck Kompensator BD Symetryzator

Symetryzacja I (2) + I (2) = O K P K = 0 0 ImI (1) + I (1) = O K 0

Currents [A] Symetryzacja 1 2 80 Three-wire network currents 60 40 20 0-20 -40-60 -80 3 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time [s]

Symetryzacja 1 2 Y 2A Y 1A 3 Y 3A N

Symetryzacja [A] [A] 40 20 0-20 Supply network currents -40 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 [s] current in neutral conductor 40 20 0 Prądy fazowe i prąd w przewodzie neutralnym przed kompensacją -20-40 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 [s]

Symetryzacja Kompen. Odb. - I N I N

Symetryzacja Prądy fazowe i prąd w przewodzie neutralnym po kompensacji

Symetryzacja 1 I 12L (α 12 ) I 12K 2 α 12 I 12C I 31L (α 31 ) B 12K I 31K I 23L (α 23 ) α 31 I 31C I 23K B 31K 3 α 23 I 23C B 23K

Symetryzacja 300 200 80 Prąd prąd odbiornika obciążenia 120 40 0-40 100-80 -120 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 (file aaa2.pl4; x-var t) c:ea -EEA c:eb -EEB c:ec -EEC 0-100 -200 Prąd sieci prąd sieci 120 80 40 0-40 -80-120 0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 (file aaa2.pl4; x-var t) t: IA1H t: IB1H t: IC1H -300 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 (file aaa2.pl4; x-var t) t: IA1H t: IB1H t: IC1H