Studia Podyplomowe EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ w ramach projektu Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ PROCES ŁĄCZENIA BATERII KONDENSATORÓW dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, prof. AGH
JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ - PROCES ŁĄCZENIA BATERII KONDENSATORÓW Zbigniew HANZELKA Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych KGHM 2013
Kondensatory służą do realizacji trzech podstawowych celów: - kompensacja mocy biernej
Moc czynna
Moc bierna
Współczynnik mocy
Pasywna filtracja wyższych harmonicznych
Regulacja napięcia
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 L S K U S L B C I 2U ( µ F) S B max. = = 2U S = 2 ZC ( LS + LB )( µ H ) C I ZW. I CN
Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów 2,0 1,5 1,0 napięcie [j.w.] 0,5 0,0-0,5 1,5 1,0 czas [ms] -1,0-1,5 0,5 0,0-0,5 20 40 60 80 100 120 czas [ ms] -1,0-1,5-2,0 napięcie strony wtórnej transformatora [j.w.] -2,5-3,0-3,5
Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów 2,0 1,5 1,0 f = f S I I ZW. CN napięcie [j.w.] 0,5 0,0-0,5-1,0 czas [ms] f = 2 π 1 ( LS + LB ) C -1,5 300-600 Hz (900 Hz)
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 150 U [%] I U [%] [%] 100 50 0-50 -100 400 300 200 100 0-100 -200-300 -150-400 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 (a) (b)
Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów Faza A Faza B Faza C U
Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów 6,43 kv 12,2 kv 6,48 kv Proces załączania baterii kondensatorów napięcia międzyfazowe (wartości chwilowe, wartości RMS 10 ms)
Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów 198,55 A 404,03 A 229,44 A Dominującą wyższą harmoniczną w przebiegu prądu jest 17. i jej maksymalna wartość wynosi 14,05 A (zmierzone w fazie 3) podczas procesu załączenia.
1,22 ms Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów Oscylacje tłumione wskazują na występowanie częstotliwości rezonansowej ok. 820 Hz (16,4 f 1 ). 820 Hz
Proces wzmacniania oscylacji szyny średniego napięcia inne odbiorniki 480 V załączana bateria kondensatorów C1 bateria kondensatorów C2 do kompensacji mocy biernej C1=3 MVAr C2 = 200 kvar
Proces wzmacniania oscylacji U [j.w.] 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 średnie napięcie U [j.w.] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0 480 V
Proces wzmacniania oscylacji 3,0 wartość napięcia na szynach nn 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 moc transformatora 1,5 MVA moc dołączonej baterii 3 MVAr 0 100 200 300 400 500 600 moc baterii (C2) w kvar
Proces wzmacniania oscylacji 3,0 wartość napięcia na szynach nn 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 filtr harmonicznej moc transformatora 1,5 MVA moc dołączonej baterii 3 MVAr bateria nn 0 100 200 300 400 500 600 moc baterii (C2) w kvar
Transmission System Feed1 138 kv Feed2 138 kv 36 MVAR 36 MVAR N.C. N.O. AutoPlant 138 kv 12 kv T3 18 MVA N.C. T4 18 MVA 12 kv 2100 kvar 7200 volts N.O. Feeder 401 Loads 2100 kvar 7200 volts (1200 kvar in service) Feeder 301 Loads TPS2L 2000 kva TPS6L 2000 kva TPS8L 5000 kva 480 volts 480 volts 4160 volts Other Load Substations
Robot Cell Paint Line Model 7100 950.0V Waveshape Disturbance Three Phase Delta 10.0A 1 Model 7100 900.0V Waveshape Disturbance Three Phase Delta 10.0A 3 0.0V 0.0A 0.0V 0.0A -950.0V 36.33ms KUKA Cell 2 7/25-10.0A 1.43 ms/div 64.84ms 07/25/97 03:09:38.04 PM -900.0V -10.0A 33.72ms 1.18 ms/div 57.29ms Chrysler Center Line 480 7/25 07/26/97 08:42:30.24 AM
Dołączanie kolejnej baterii L S U S L 1 L 2 L 3 C 1 C 2 C 3 L C Σ = L1 L2 L + L 1 + Σ 1 2 = C C 2 L = L L L + + Σ zew. 3 C = C C Σ Σ C + 3 C 3
Dołączanie kolejnej baterii I max. = 2U Z C S = 2U S C L = 2U S I ωl ( I zew. CN1 CN1 I + CN 2 I CN 2 ) f 2π 1 = 1 8,5 khz LC
Dołączanie kolejnej baterii I [A] 3000 2500 2000 1500 1000 I [ka] 30 20 10 500 0-500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 0-10 200 400 600 800 1000 1200-1000 -1500-20 -2000-30 (a) (b)
Dołączanie kolejnej baterii napięcie I max prąd załączanego kondensatora U/I chwila załączania kondensatora
Dołączanie kolejnej baterii
Dołączanie kolejnej baterii
Dołączanie kolejnej baterii
Event Details/Waveforms 10000 5000 Volts 0 Dołączanie kolejnej baterii -5000-10000 500 A-B V B-C V C-A V 250 Amps 0-250 -500 A I B I C I 13:58:04.33 2012-03-06 Tuesday 13:58:04.34 13:58:04.35 13:58:04.36 13:58:04.37 Event #79 at 2012-03-06 13:58:04.330 Pre-tri gger
Event Details/Waveforms 10000 5000 Volts 0 Dołączanie kolejnej baterii -5000-10000 500 A-B V B-C V C-A V 250 Amps 0-250 -500 A I B I C I 10:06:45.58 2012-03-05 Monday 10:06:45.60 10:06:45.62 10:06:45.64 10:06:45.66 10:06:45.68 Event #59 at 2012-03-05 10:06:45.569 Pre-tri gger
Szczególne warunki łączenia baterii: załączanie baterii wstępnie naładowanej zapłon łuku podczas procesu wyłączania baterii.
a) L s a U aa' a' U s C s U c C b) Restiking restiking time time U C Current current 2 U s U B t 1 t 2 t Voltage Zero zerocurrent current time time 3 2 U s
Sposoby redukcji przepięć i przetężeń: - ochrona przecięciowa - szeregowa rezystancja 1,5 1,5 1,0 1,0 U [j.w.] 0,5 0 U [j.w.] 0,5 0-0,5-0,5-1,0-1,0-1,5-1,5 (a) (b) Szeregowy dławik
FAZA A U A 100 75 I A 400 300 50 25 0-25 -50-75 200 100 0-100 -200-100 -300-125 0 20 40 60 80 100-400 0 20 40 60 80 100 FAZA B U B 150 I B 300 100 200 50 100 0-50 0-100 -200-100 -300-150 0 20 40 60 80 100-400 0 20 40 60 80 100 FAZA C U C 150 I C 300 100 200 50 100 0 0-100 -50-200 -100 0 20 40 60 80 100-300 0 20 40 60 80 100
Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników I U U dc
Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników U I
Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników I U U dc
Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników
Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników
Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników U AB [V] 1000 500 U AB [V] 1000 500 0 0-500 -500-1000 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12-1000 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 U dc [V] 700 U dc [V] 700 600 600 500 500 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 I A [A] 3000 2000 1000 I A [A] 400 200 0 0-1000 -200 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 (a) (b)
Filtry pasywne Łączenie synchroniczne U A B C Chwile łączenia możliwe chwile załączenia poszczególnych faz Uziemiona gwiazda
Łączenie synchroniczne
U1 U2 U3 chwila załączenia fazy C chwila załączenia faz A i B (t) faza 1 + 2 1 2 3 (t+5ms) faza 3 Nie uziemiona gwiazda
Łączenie synchroniczne 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( ωt + ϕ u ) i(t ) = I m cos( ωt + ϕ u ) nb C U C0 2 n U 2 n 1 m sinϕ u sinω n t I m cosϕ u cosω n t n = X C / X L ωn = 1/ LC = nω
Sieć zasilająca Odbiornik Układ sterowania TSC 1 0 2 2 0 = ± = ϕ n n U U cos m C u t cos cos I t sin sin U n n U nb ) t cos( I ) (t i n u m n u m C C u m ω ϕ ω ϕ + ϕ ω = 1 2 2 0
u i u t u co =u u c u moment załączenia (a) moment wyłączenia Łączenie synchroniczne u co < u u c moment załączenia i u=u c (b) moment wyłączenia t u co > u u u c t i moment załączenia moment wyłączenia (c)
Thyristor switched capacitors (TSC) W3NA W33AN I T = 0,71 I I C = I U T = 1,63 U U c = 0,82 U U dc = ±0,82U ±0,82U ±0,82U I T = 0,41 I I C = 0,58 I U T = 2,83 U U c = 1,41 U U dc = ±1,41U ±1,41U ±1,41U W33AA T on = 1 T 2 T off = 1 T 2 T rec = T
W33YA W33AY I T = 0,71 I I C = I U T = 1,93 U U c = 1,12 U U dc = ±1,12U ±0,82U ±0,30U I T = 0,71 I I C = 0,58 I U T = 1,93 U U c = 1,93 U U dc = ±1,93U ±0,52U ±1,41U W33AD T on = 5 T 12 T off = 5 T 12 T rec = 21 T 12 W33YA W33AY I T = 0,71 I I C = I U T = 1,93 U U c = 1,12 U U dc = ±1,12U ±0,82U ±0,30U I T = 0,71 I I C = 0,58 I U T = 1,93 U U c = 1,93 U U dc = ±1,93U ±0,52U ±1,41U W33AD T on = 7 T 12 T off = 7 T 12 T rec = 21 T 12 W33YA W32DA W32AY I T = 0,71 I I C = I U T = 3,35 U U c = 1,12 U U dc = ±1,12U ±0,82U ±0,30U I T = 0,71 I I C = 0,58 I U T = 3,35 U U c = 1,93 U U dc = ±1,93U ±0,52U ±1,41U W32AD T on = 7 T 12 T off = 7 T 12 T rec = 21 T 12
Thyristor switched capacitors (TSC) W33DA I T = 0,41 I I C = I U T = 3,35 U U c = 1,12 U U dc = ±1,12U ±0,82U ±0,30U T on = 5 T 12 T off = 1 T 2 T rec = 21 T 12 U33DA I T = 0,82 I I C = I U T = 3,35 U U c = 1,12 U U dc = ±1,12U ±0,82U ±0,30U T on = 7 T 12 T off = 7 T 12 T rec =
Thyristor switched capacitors (TSC)
W przypadku instalacji kondensatorów ważne jest, aby: wykorzystać istniejące możliwości redukcji negatywnych efektów procesu łączenia baterii szczególnie w przypadku odbiorców przemysłowych posiadających dużą liczbę regulowanych napędów lub innego sprzętu energoelektronicznego energetyka zawodowa posiadała informacje oraz informowała swoich głównych przemysłowych odbiorców odnośnie lokalizacji i procedury łączenia (czasu, sposobu łączenia itp.) dużych baterii kondensatorów nie zapominać, że instalowanie wejściowych dławików dla urządzeń energoelektronicznych, szczególnie regulowanych napędów, podwyższa ich odporność na przebiegi łączeniowe baterii kondensatorów (również zmniejsza odkształcenie prądu wejściowego) baterie kondensatorów, szczególnie w sąsiedztwie odbiorników nieliniowych wyposażyć w dławiki odstrajające lub instalować jako filtry harmonicznych
DZIĘKUJE ZA UWAGĘ... Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza 30-059 Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel.: 12 617 28 78, 12 617 28 01 E-mail: hanzel@agh.edu.pl