Jakość energii elektrycznej

Jakość energii elektrycznej Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Jaworzno, marzec 2010 r.

Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) a jakość dostawy energii elektrycznej Zdolność sprzętu, systemu, instalacji do prawidłowego funkcjonowania w jego środowisku elektromagnetycznym, bez wprowadzania do tego środowiska nadmiernych zaburzeń Jakość dostawy energii elektrycznej to zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do użytkownika w normalnych warunkach pracy, określających ciągłość zasilania (długie i krótkie przerwy w zasilaniu) oraz charakteryzujących napięcie zasilające (wartość, asymetrię, częstotliwość, kształt przebiegu czasowego). UWAGA 1: Jakość energii wyraża się stopniem zadowolenia użytkownika z warunków zasilania. UWAGA 2: Jakość energii zależna jest nie tylko od warunków zasilania, lecz także od rodzaju stosowanego sprzętu (jego odporności na zaburzenia i jego emisyjności) oraz praktyki instalacyjnej.

Podstawy prawne Dyrektywa 85/374/EEC: regulacje prawne i administracyjne, zabezpieczające obywateli Unii Europejskiej przed wadliwymi produktami Artykuł 1: odpowiedzialność producenta za uszkodzenia spowodowane wadą jego produktu, Artykuł 2: produktem jest również energia elektryczna. Directive 2004/108/EC of the European Parliament and the Council of 15 December 2004 on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility and repealing Directive 89/336/EEC", Official Journal of the European Union of 31 December 2004, pp L 390/24 to L 390/37.

Podstawy prawne Ustawa o kompatybilności elektromagnetycznej z dnia 13 kwietnia 2007 r, Dz. Ustaw Nr 82 Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, Dziennik Ustaw Nr 93 z dnia 29 maja 2007 r Normy PN IEC/PN EN serii 61000 Norma PN EN 50 160

KRAJOWY RAPORT BENCHMARKINGOWY 1. Ciągłość dostaw energii elektrycznej 2. Jakość handlowa dostaw energii elektrycznej 3. Jakość napięcia 4. Ekstremalnie niesprzyjające warunki pogodowe

Jakość dostawy energii elektrycznej Jakość obsługi Ciągłość zasilania Jakość napięcia Częstotliwość Wartość Jakość energii elektrycznej Kształt Asymetria

Przyczyny wzrostu zainteresowania jakością energii elektrycznej Rosnąca świadomość, że e energia elektryczna jest towarem Wzrost liczby i mocy jednostkowej niespokojnych, nieliniowych, niekiedy równier wnież niesymetrycznych odbiorników Zmniejszenie odporności odbiorników w na zaburzenia elektromagnetyczne Rosnący koszt awarii Wzrost efektywności przetwarzania energii

Przyczyny wzrostu zainteresowania jakością energii elektrycznej Ekologia elektromagnetyczna Restrukturyzacja sektora energetycznego Rozwój j metod i środków w technicznych służąs żących do pomiaru Rosnąca popularność rozproszonych źródeł energii elektrycznej Jakość energii to ogromne pieniądze

Przyczyny wzrostu zainteresowania jakością energii elektrycznej USA CEIDS $ 119-188 mld Eurelectric Kanada $ 650 mln Francja $ 25 mld Niemcy $ 20-25 mld Hiszpania $ 6-7 mld ECI Europa 15-20 mld Total: $ 350-500 mld 0.65-1.2% GDP 50% całkowitej wyprodukowanej energii elektrycznej

Badanie kosztów złej jakości dostawy energii elektrycznej Czy z inicjatywy Pani/Pana firmy w latach 2005 2008 przeprowadzono badania kosztów złej jakości zasilania (po stronie dostawcy i/lub odbiorcy): 1. tak 2. nie

Jakość energii elektrycznej zmiany częstotliwości wartość skuteczna napięcia szybkie zmiany napięcia Zmiany napięcia wahania napięcia zapady napięcia wzrosty napięcia Zdarzenia w napięciu krótkie przerwy w zasilaniu asymetria napięcia harmoniczne napięcia interharmoniczne napięcia przepięcia o częstotliwości sieciowej między przewodami pod napięciem a ziemią przepięcia przejściowe między przewodami pod napięciem a ziemią sygnały napięciowe do transmisji informacji nałożone na napięcie zasilające

Klasyfikacja zaburzeń Środowisko komunalne wartość napięcia wahania napięcia przerwy w zasilaniu zapady napięcia przepięcia odkształcenie napięcia asymetria zmiany częstotliwości Środowisko przemysłowe zapady napięcia przerwy w zasilaniu wartość napięcia odkształcenie napięcia przepięcia asymetria wahania napięcia zmiany częstotliwości

KRAJOWY RAPORT BENCHMARKINGOWY 30 25 20 15 10 5 0 P3-Najbardziej kosztowne zaburzenie po stronie dostawcy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9. 10. 11. 12. 13. Zmiany częstotliwości Niewłaściwa wartość napięcia (1) Szybkie zmiany napięcia Wahania napięcia (2) Zapady napięcia (3) Wzrosty napięcia Krótkie przerwy w zasilaniu (2) Asymetria napięcia Harmoniczne napięcia Interharmoniczne napięcia Przepięcia dorywcze Przepięcia przejściowe Sygnały napięciowe

Jakie zjawiska związane z jakością energii są przyczyną głównych problemów odbiorców energii elektrycznej? Przerwy w zasilaniu o czasie krótszym niż 1min Przerwy w zasilaniu o czasie Inne dłuższym niż 1min Zapady napięcia, przepięcia, Spawarki stany przejściowe w napięciu Silniki elektryczne Harmoniczne (np. w czasie rozruchu) napięć i prądów Źródła światła Wahania napięcia Komputery Wartość napięcia Układy bezprzerwowego zasilania UPS Asymetria napięcia Przekształtniki, Zmiany napędy częstotliwości bezstopniowe Jakości instalacji odbiorczej braki danych Główne źródła problemów jakości energii 0.00 0,00% % 10,00% 5.00 % 10.00 20,00% % 15.00 30,00% % 20.00 40,00% % 25.00 50,00% %

KRAJOWY RAPORT BENCHMARKINGOWY P51 - Rozproszone źródła energii jako przyczyna złej jakości napięcia 35 30 25 20 15 10 5 0 Tak Nie Brak odp.

Zaburzenia wartości skutecznej napięcia

WPŁYW ZMIAN OBCIĄŻENIA NA ZMIANY NAPIĘCIA W PWP Napięcie 120,000 560 119,500 520 119,000 480 118,500 440 VRMS (Left axis) 118,000 117,500 400 360 ARMS (Right axis) 117,000 320 116,500 280 116,000 240 115,500 200 115,000 11/02/02 12:00:00 12/02/02 00:00:00 12/02/02 12:00:00 13/02/02 00:00:00 13/02/02 12:00:00 Prąd 14/02/02 00:00:00 14/02/02 12:00:00 15/02/02 00:00:00 15/02/02 12:00:00 16/02/02 00:00:00 16/02/02 12:00:00 17/02/02 00:00:00 17/02/02 12:00:00 160 18/02/02 00:00:00

Napięcie 121,000 120,500 120,000 WPŁYW ZMIAN OBCIĄŻENIA NA ZMIANY NAPIĘCIA W PWP U U 0 Q S SC 42,000,000 40,000,000 38,000,000 119,500 119,000 118,500 36,000,000 34,000,000 32,000,000 VRMS (Left axis) 118,000 117,500 117,000 30,000,000 28,000,000 26,000,000 VAR (Right axis) 116,500 116,000 115,500 115,000 24,000,000 22,000,000 20,000,000 18,000,000 114,500 Moc 114,000 bierna Q 08/04/02 12:00:00 09/04/02 00:00:00 09/04/02 12:00:00 10/04/02 00:00:00 10/04/02 12:00:00 11/04/02 00:00:00 11/04/02 12:00:00 12/04/02 00:00:00 12/04/02 12:00:00 13/04/02 00:00:00 13/04/02 12:00:00 14/04/02 00:00:00 14/04/02 12:00:00 16,000,000 14,000,000 15/04/02 00:00:00

Agregacja czasowa U rms (1 / 2) = N i= 1 N u 2 U rms 200 ms = N i= 1 u N 2 U U rms 3 s = rms 2 h = 15 i= 1 12 i= 1 U U 2 rms 200 ms 15 2 rms 10 min 12 U 200 = 1 10 min = i rms U 2 rms 3 s 200 Mierniki klasy: A, S, B

Porównanie z przyjętymi poziomami kompatybilności THD - wartości średnie 10minutowe 5,0 4,5 4,0 3,5 wartość 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 nr

Wykres uporządkowany 5,0 THD - wartości średnie 10minutowe Mierzony parametr 4,5 4,0 3,5 wartość 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 20 40 3,0 60 80 100 120 140 160 wartość 5,0 4,5 4,0 3,5 nr 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 20 40 60 80 100 148 144 160 nr

Wartość 95% 5,0 4,5 4,198 4,0 3,5 Max CP95 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1% 6% 12% 17% 23% 28% 34% 39% 45% 51% 56% 62% 67% 73% 78% 84% 89% 95% 95% 5% wszystkich wartości znajduje się w tym obszarze 95% wszystkich wartości znajduje się w tym obszarze

POMIAR NAPIĘCIA Analiza statystyczna czas (a) Skuteczna wartość napięcia zmierzona w czasie jednego tygodnia (100%) (b) Charakterystyka skumulowanego prawdopodobieństwa i percentyle CP05 oraz CP95

Wartość napięcia Max. Napięcie Min.

Czas uśredniania 207 V 4h50 10 min 3,5% 28 % Poziomy wartości granicznych

Wahania napięcia

Wahania napięcia moc bierna 1s napięcie czas

Wahania napięcia Napięcie Napięcie Zgrzewarka Spawarka Prąd Prad

Wahania napięcia Faza L1 Faza L2 Faza L3

Wahania napięcia Prąd i napięcie podczas łączenia baterii kondensatorów Prąd i napięcie podczas rozruchu turbiny wiatrowej

MIGOTANIE ŚWIATŁA Przebieg strumienia świetlnego Φ(t) Przebieg napięcia zasilającego u(t) Guide to quality of electrical supply for industrial installations. Part 5: Flicker, UIEPQ 1999

MIGOTANIE ŚWIATŁA Φ ~ U γ Żarowe źródła światła γ: 3.1-3.7 Lampa fluorescencyjna γ : 1.5-1.8

Styczniki i przekaźniki Maszyny elektryczne Urządzenia elektrotermiczne

Wahania napięcia 10 230 V 120 V 100 V U 0U/U[%] U 0 1 7 0,1 0,1 1 10 100 1000 10000 Number of rectangular voltage changes per minute Charakterystyka Pst = 1 dla prostokątnych tnych wahań napięcia (żarówka 60 W) W

Wahania napięcia Chwilowe migotanie światła Napięcie sieci zasilającej Model żarówki Model percepcji wzrokowej i reakcji mózgu Analiza statystyczna P ST P LT P LT = 3 N i= 1 P N 3 STi

Szybkie zmiany napięcia

EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Stopniowa zmiana napięcia charakteryzowana wartością (dv/dt). Maksymalna i ustalona zmiana napięcia ma wartość 10 V.

EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Zmiana skokowa. Maksymalna i ustalona zmiana napięcia ma wartość 10 V.

EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Ekspotencjalna zmiana typowa dla rozruchu silnika indukcyjnego. Maksymalna zmiana napięcia ma wartość 27 V, ustalona zmiana 10 V.

EN 50 160: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Polski Komitet Normalizacyjny Zmiana skutecznej wartości napięcia występująca w przedziale ±10% napięcia znamionowego/deklarowanego, o szybkości zmian większej niż 0,5% napięcia znamionowego/deklarowanego na sek. Szybkie zmiany napięcia są opisane poprzez wartość ustalonej i maksymalnej zmiany napięcia.

Wyższe harmoniczne

Wprowadzenie 50 Hz 50 Hz U (1) U (3) 1,0 50 Hz 0,3 150 Hz U S 100 Hz (a) 50 Hz 150 Hz (b) 50 Hz U (1) (a) harmoniczna składowa podstawowa U (3) trzecia 3. harmoniczna harmoniczna 200 Hz (c) 250 Hz (d) (b) U S

Analiza Fouriera = + + n=1 n=5 n=7

Analiza Fouriera Harmoniczne składowa stała f = n f 1 n = 0 Interharmon. f nf 1 Subharmon. 0 < f < f 1 f 1 - składowa podstawowa napięcia (50 Hz)

Układ kolejności zgodnej i I sinωt m = 1 (1) (1) i = I sin( ωt 120 2(1) m(1) 0 ) i 1(1) i = I sin( ωt 3(1) m(1) 240 0 ) i 3(1) i 2(1)

Układ kolejności przeciwnej i I m sin5ωt 1 (5) = (5) 0 i2(5) = I (5) sin5( ωt 120 ) = I (5) sin(5 ωt 240 m 0 i3 (5) = Im (5) sin5( ωt 240 ) = Im(5) sin(5 ωt 120 m 0 0 ) ) i 1(5) i 2(5) i 3(5)

Układ kolejności zerowej i I sin3ωt m = 1 (3) (3) i = I sin 3( ωt 120 ) = I sin3ω t 2 (3) m(3) m(3) i I ω 0 m t I ω 3 (3) = (3) sin 3( 240 ) = m(3) sin3 t 0 i 1(3) i 3(3) i 2(3)

2. Źródła harmonicznych prądu nasycony obwód magnetyczny I wej I wyj czas Uwej U wyj 100 % 52 % 27 % 9 % 2,5 % 1 3 5 7 11...

Łuk elektryczny 100% 100% 25% 7-8% 1 2 3 4 5 6 7 8 9... 1 2 3 4 5 6 7 8 9... (a) (b)

Źródła harmonicznych prąd wh (%) 200% czas (a) F 5 9 13 17 21 25 29 THD (b) (a) CFL (THD I = 80-130 %); (b) lampa fluorescencyjna (THD I =20-30 %)

Układy energoelektroniczne TV PC

Układy energoelektroniczne D1 D4 V S v=v m sinωt C D3 D2

P = 100W U/150 [V]

P = 100W THD=159%

Harmoniczne potrójne symetryczne trójfazowe obciążenie niesymetryczne obciążenie trójfazowe

Harmoniczne potrójne trójfazowe nieliniowe obciążenie

Harmoniczne potrójne

NORMA PN-EN 61000-3-2 rzeczywistość norma

Przekształtniki PFC L Dout Cin Cout DC/DC Zasilacz impulsowy

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

Przekształtniki PFC

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

Przekształtniki PFC 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

Redukcja skutków harmonicznych L C 22 kw

300 200 100 U s 300 200 100 0-100 -200-300 l s 0-100 -200-300 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 (b) duża indukcyjność i pojemność (c) mała indukcyjność i duża pojemność 300 200 100 0-100 -200-300 300 200 100 0-100 -200-300 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 (d) średnie wartości indukcyjności i pojemności 4050 4100 4150 4200 4250 4300 4350 (e) mała indukcyjność i pojemność

Statyczny przemiennik częstotliwości INVERTOR Sieć zasilająca Przekształtnik U dc Schemat ideowy

Aktywne kształtowanie prądu wejściowego dławik wejśc. DC inverter 3~ line 40 400 30 300 line current / A 20 10 0-10 -20 200 100 0-100 -200 phase voltage / V -30-300 -40-400 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 time / s

Aktywne kształtowanie prądu wejściowego PFC DC inverter 3~ line 2000 1500 1000 line current / A 500 0-500 -1000-1500 -2000 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 time / s

Harmoniczne napięcia

2,5 THD i harmoniczne napięcia fazowego L1 2,0 1,5 [%] 1,0 CP99 CP95 CP50 CP05 0,5 0,0 THD H3 H5 H7 H11

Miary liczbowe U ( ) n = U ( n) U() 1 THD U = n g n= 2 U U () 1 2 ( n) 100% CP95, CP99

Dla grup przyłączeniowych I i II: W ciągu każdego tygodnia 95 % ze zbioru 10- minutowych średnich wartości skutecznych dla każdej harmonicznej napięcia zasilającego, powinno być mniejsze lub równe wartościom określonym w tabeli:

Dla grup przyłączeniowych III-V: W ciągu każdego tygodnia 95 % ze zbioru 10- minutowych średnich wartości skutecznych dla każdej harmonicznej napięcia zasilającego, powinno być mniejsze lub równe wartościom określonym w tabeli:

Przykład dzień roboczy niedziela

Odkształcenie napięcia

Przykład

Skutki obecności harmonicznych

Kompensacja mocy biernej napięcie prąd ωt φ

Kompensacja mocy biernej

Kompensacja mocy biernej sieć zasilajaca X S Tr1 X Tr1 Tr2 PWP X Tr2 nieliniowy odbiornik Q K I (n) X C

Kompensacja mocy biernej pętla rezonansowa I (n)

Kompensacja mocy biernej Odbiornik 5. 1 2 3 4 5. 1. 2. 7.

Rezonans szeregowy sieć zasilająca źródło harmonicz. X S X T 10kV X C nieliniowy odbiornik S N = 1,5 MVA e % = 5,75 0,4kV Impedancja Z Impedan. Z liniowy odbiornik Q C = 0,5 MVAr f f R f S Z

4. Sposoby rozwiązywania problemu harmonicznych źródło zaburzenia sprzężenie (sieć zasilająca) odbiornik Środowisko elektromagnetyczne

Samokompensacja harmonicznych S. zasilająca % of I( n) Liczba przekształtników

Samokompensacja harmonicznych 14% 12% 10% n = kp±1 k = 0, 1, 2, 3,. p = 12 6 n = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25,... 8% 6% 4% 2% 0% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Samokompensacja harmonicznych harmoniczne niecharakterystyczne

Aktywne kształtowanie prądu wejściowego i(t) t Moc P i(t) t Moc P

Interharmoniczne 1. Wiedza jest ciągle na etapie rozwoju 2. Obecnie występuje szczególne zainteresowanie tym zaburzeniem 3. Interharmoniczne były zawsze obecne w systemie zasilającym 4. Znaczenie tego zaburzenia wzrasta w związku z rosnąca liczba przekształtników statycznych

Interharmoniczne Napięcia (prądy) o częstotliwościach będących niecałkowitą krotnością częstotliwości podstawowej. Interharmoniczna f nf 1 Subharmoniczna 0 < f < f 1

Interharmoniczne a) 140 current spectrum 120 100 80 [A] 60 40 20 0 40 45 50 55 60 [Hz]

Interharmoniczne Drugi proces asynchroniczne łączenie elementów półprzewodnikowych w przekształtnikach statycznych Główne źródła interharmonicznych: łuk elektryczny napędy o regulowanej prędkości przekształtniki statyczne procesy oscylacyjne w systemie.

Łącznik prądu przemiennego I 2I o ωt sipply voltage cycle ( T) time of current conduction ( NT) full control time ( MT)

Widmo prądu dlar N = 2, M = 3

Skutki obecności interharmonicznych Efekt cieplny, Nisko-częstotliwosciowe oscylacje w systemach mechanicznych, Zaburzenia w pracy fluorescencyjnych źródeł światła i sprzętu elektronicznego, Interferencje z sygnałami sterowania i zabezpieczeń, Przeciążenie filtrów pasywnych, Zaburzenia telekomunikacyjne, Zaburzenia akustyczne, Nasycenie przekładników prądowych.

Skutki obecności interharmonicznych

WAHANIA NAPIĘCIA 150 100 0,1 s (T) 50 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 t [s] -50-100 u( t ) -150 mu m = U m( 1+ mcos Ωt )cosωt = U m cosωt + ω 2 [ cos( ω Ω) t + cos( + Ω) t] ω Pulsacja sygnału modulowanego (= 2π x 50 (60) Hz) Ω Pulsacja sygnału modulującego m Głębokość modulacji

u( t) U = U m cos cos 2 U ( ) m ωt + [ cos( ω Ω) t + ( ω + Ω) t] U m 2 mu m 2 2 ω ω -Ω ω ω +Ω Spektrum

NIEPRAWIDŁOWA PRACA UPS Napięcie na wyjściu UPS UPS 28.121 Hz 71.865 Hz

Skutki obecności interharmonicznych Transmisja sygnału przez sieć zasilającą Brak transmisji

Lokalizacja źródła odkształcenia 1. Producent harmonicznych powinien być karany tylko za swoja emisję. 2. Zmiana impedancji zastępczej po stronie dostawcy lub odbiorcy nie powinna wpływać na zobowiązania drugiej strony.

Lokalizacja źródła odkształcenia Dostawca Odbiorca Pomiar I Z Z Z Z O I O

Lokalizacja źródła odkształcenia Dostawca Odbiorca Pomiar P h = U I cos Θ h h ( Θ ) uh ih P h 0 P h < 0

Rozproszony system monitoringu Distribution Substation Example of System Monitoring Concept Transmission Customer Monitoring System Substation Monitoring System Customer Monitoring System Power Quality/ Energy Information Service Data Collection Data Collection Local Network Internet/ World Wide Web Monitoring Database Database Management/ Local Data Analysis Corporate Intranet Power Quality/ Reliability Performance and Data Analysis

Zaburzenia wysokoczęstotliwościowe

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów L S K U S L B C 2,0 1,5 1,0 napięcie [j.w.] 0,5 0,0-0,5 czas [ms] -1,0-1,5

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów 150 U [%] U [%] 100 50 0-50 -100 150 100 50 0-50 -100-150 -150 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 czas [ms] czas [ms] Umax = 110 160 % (200 %) Czas trwania: 0,5 3 okresów

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

http://www.leonardo-energy.org/

DZIĘKUJE ZA UWAGĘ