PQ (Power Quality) Jakość Energii Elektrycznej

Problemy Jakości Energii Elektrycznej w nowoczesnych instalacjach elektrycznych Jarosław Łuszcz Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechnika Gdańska Slide 1 (of 59) PQ (Power Quality) Jakość Energii Elektrycznej Część I Specyfikacja parametrów Slide 2 (of 59) Jakość energii (PQ) co to jest? Wiele parametrów określających napięcie sieci zasilającej Lista parametrów nie jest zamknięta Wiele parametrów jest precyzyjnie zdefiniowanych Nadal trwają prace nad udoskonalaniem metod pomiarowych Parametry napięcia Uśrednione - RMS, zmiany RMS, asymetria, częstotliwość Zniekształcenia - kształt krzywej napięcia Ciągłość zasilania przerwy, zapady PQ jest ograniczona zdarzenia w systemie wytwarzania przesyłu i dystrybucji (stabilność systemów regulacji, zmiany obciąŝenia, procesy łączeniowe, odbiorcy/obciąŝenia) MoŜliwy do osiągnięcia poziom pewności zasilania ~ 99.999% Bez dodatkowych starań, rzadko przekracza 99.9% Slide 3 (of 59) 1

Jakość energii elektrycznej co to jest? Nie ma jednoznacznej i precyzyjnej definicji Trwają intensywne prace normalizacyjne Lista parametrów i sposób ich pomiaru? RóŜne aspekty: dostawca, odbiorca, producent urządzeń Przykład definicji (PL) Jakość energii to zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do uŝytkownika IEEE Std 1159 2009 The term power quality refers to a wide variety of electromagnetic phenomena that characterize the voltage and current at a given time and at a given location on the power system Slide 4 (of 59) PQ od czego/kogo zaleŝy? Wytwórca Ponosi dodatkowe koszty związane z PQ Dystrybutor Zobowiązany do zapewnienia odpowiedniego PQ dla odbiorcy Przesył obniŝa PQ Odbiorca Najbardziej degraduje i zarazem wymaga PQ Slide 5 (of 59) Wzorcowa jakość energii Nierealne technicznie!!! znamionowa częstotliwość i wartość skuteczna napięcia idealnie sinusoidalna krzywa napięcia ciągłość zasilania Jakość zadawalająca jeśli dla odbiorcy (zasilanych odbiorów) odchylenia od wartości wzorcowych nie są dotkliwe Odstępstwa od ideału opisuje i ocenia poprzez tworzone kryteria oceny jakości energii cechy jakościowe energii - precyzyjna definicja, sposób pomiaru PCC (point of common coupling) Umowne miejsce obserwacji / punkt dostawy jakość na zaciskach zasilania urządzenia Slide 6 (of 59) 2

Specyfikacja jakości energii - normalizacja Normy PN-EN 50160:2008 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych Ustawy i rozporządzenia Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. - Prawo energetyczne, Dziennik Ustaw - rok 1997 nr 054 poz. 348 wraz z późniejszymi zmianami Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego Dziennik Ustaw - 2007, nr 93, poz. 623 z dnia 2007-05-29 wraz z późniejszymi zmianami, Instrukcje IRiESD Umowy, warunki przyłączenia do sieci Ustalenia indywidualne Slide 7 (of 59) PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego Częstotliwość 50 Hz +/- 1% (49,5 Hz do 50,5 Hz), 10s, 99,5% 50 Hz + 4/-6% (47 Hz do 52 Hz), 10s, 100% Odchylenia napięcia Un +/- 10 %, RMS, 10min, 95% Un +10/- 15 %, RMS, 100% Asymetria <= 2% Harmoniczne THD (do 40 harmonicznej) 8 % 40 U THD= h= 2 U h 1 2 < 8% Slide 8 (of 59) Jakość energii typowe problemy? Odbiorniki niespokojne Klasyczne kompensatory mocy biernej Odbiorniki nieliniowe Prostowniki, napędy falownikowe, źródła światła, transformatory, Energetyka rozproszona Rosnące wymagania jakości i ciągłości zasilania Zdarzenia losowe Wyładowania atmosferyczne, awarie urządzeń Slide 9 (of 59) 3

Jakość energii sposoby poprawy? Jakości wytwarzania Jakości regulacji mocy w SEE Jakość przesyłu Automatyka zabezpieczeniowa SEE Limitowanie zaburzeń wprowadzanych przez odbiorniki Filtracja, kompensacja Nowoczesne!!!! układy energoelektroniczne ASD, PFC, HVDC, FACTS - Flexible AC Transmission Systems (GTO), STATCOM - Static VAr Compensation with a voltage source converter Monitoring, identyfikacja i eliminowanie zagroŝeń Ochrona przepięciowa Systemy zasilania gwarantowanego Zasilacze UPS Slide 10 (of 59) PQ (Power Quality) Jakość Energii Elektrycznej Część II Pomiary, analizy symulacyjne, identyfikacja problemów Slide 11 (of 59) Pomiary jakości energii - normy PN-EN 61000-4-7:2007 (EMC) Metody badań i pomiarów. Ogólny przewodnik dotyczący pomiarów harmonicznych i interharmonicznych oraz przyrządów pomiarowych, dla sieci zasilających i przyłączonych do nich urządzeń PN-EN 61000-4-30:2011 (EMC) Metody badań i pomiarów. Metody pomiaru jakości energii Slide 12 (of 59) 4

Jakość energii pomiary? RóŜne cele róŝne przyrządy Dostawca odbiorca normy Monitoring ciągły SEE Diagnostyka, ustalanie przyczyn awarii Pomiar prądów i napięć fazowych Analiza online zapis danych przetworzonych Długi okres rejestracji (7 dni) problem ilości danych!!! Uśrednianie Wyzwalanie zdarzeniowe Analizatory PQ Przyrządy specjalizowane Certyfikacja, podwyŝszone wymagania dokładności Wiele producentów Stacjonarne i przenośne Slide 13 (of 59) Pomiary THD specyfika wymagań Specyfika => dokładność, uśrednianie, zdarzenia Wiele producentów Rożne klasy przyrządów (Klasa A) Rozbieżności wyników, trudna weryfikacja (zdarzenia!) Pewność rejestracji zdarzeń!!! Intensywne zmiany normalizacyjne Długotrwałość procesu pomiarowego (tydzień) Rejestracja parametrów uśrednianych i chwilowych Wymagana wysoka dokładność pomiarowa Slide 14 (of 59) Zmiany (odchylenia) napięcia Wartośćuśredniona RMS w czasie 10 min 1008 pomiarów w ciągu tygodnia zmiany nie większe niż±10 % wartości znamionowej U n przez 95% tygodnia Bez uwzględniania przerw Odchylenia -zmiany wolniejsze niż0,02 V/s Wahania cykliczne, szybkie > 2%/s U U ν = U n n 1 0 0[% ] Slide 15 (of 59) 5

Napięcie zmiany dobowe 10.00kV 9.54kV Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun Napiecie L1 RMS [kv] Napiecie L2 RMS [kv] Napiecie L3 RMS [kv] 110% 105% 9.09kV 100% 8.64kV 95% 8.18kV 2010-07-12 2010-07-13 2010-07-14 2010-07-15 2010-07-16 2010-07-17 2010-07-18 90% Slide 16 (of 59) Zmiany tygodniowe obciążenia 2011-03-30 2011-04-06 2011-04-13 2011-04-20 2011-04-27 250 U L1 240 230 220 1500 I L1 1000 500 0 2011-03-30 2011-04-06 2011-04-13 2011-04-20 2011-04-27 Slide 17 (of 59) Napięcie zmiany dobowe Slide 18 (of 59) 6

Napięcie zmiany dobowe Slide 19 (of 59) Szybkie zmiany napięcia - przykład Slide 20 (of 59) Flicker wahania/migotanie (flicker, fluctuations) Pomiary migotania napięcia (światła) P st krótkotrwała uciążliwośćmigotania światła (pomiar przez 10 min.) P st = 1 próg postrzegania granicy migotania złożony algorutm P st P lt długotrwała uciążliwośćmigotania światła: 12 (pomiar przez 2 godz.) 3 i = 1 P lt = 12 3 st PN-EN 61000-3-3 Ograniczanie wahańnapięcia i migotania światła powodowanych przez odbiorniki o prądzie znamionowym < lub = 16 A w sieciach zasilających niskiego napięcia P Slide 21 (of 59) 7

Flicker migotanie Krzywa amplitudy dopuszczalnych wahań przy (Pst=1) Progi np. 3% przy <1min 0,3% przy 10Hz Slide 22 (of 59) Flickery przykład Slide 23 (of 59) Zapady napięcia (dip, sag) Obniżenie napięcia przekraczające 10% U N, ale napięcie większe od 1% U N Czas trwania 10ms 1min mogą występować od kilkudziesięciu do 1000 razy w roku większość zapadów to: krótsze niż1 sekunda głębokie poniżej60%u N Układy SZR Slide 24 (of 59) 8

Zapady napięcia - przykład Slide 25 (of 59) Zapady napięcia - przykład Slide 26 (of 59) Przepięcia - przykład 400V 300V 200V 100V 0V -100V -200V -300V -400V 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms Slide 27 (of 59) 9

Analizy symulacyjne Model sieci, impedancje (szerokopasmowe!!!) Specyfikacja źródeł harmonicznych prądu Symulacja obwodowa lub obliczenia dla poszczególnych składowych harmonicznych Slide 28 (of 59) Obliczanie mocy Sześcian mocy P n = Pi i= 1 S ' = P + Q + V 2 2 2 cosψ = P 3 U In n= 0 n n 1 Q = P tgφ = P 1 cos φ i i i 2 = 1 = 1 i i i Slide 29 (of 59) Obliczanie zniekształceń harm. 40 2 U h h= 2 THDU [%] = 100% U 1 h= 1 I h 40 2 I h h = 2 THD I [%] = 100% I1 Slide 30 (of 59) 10

PQ -Symulacja, Prostownik 12 pulsowy, Sieć autonomiczna Slide 31 (of 59) PQ -Symulacja, Prostownik 12 pulsowy, Sieć autonomiczna 400V 300V 200V Napięcie Prąd 12kA 9kA 6kA 100V 3kA U[V] 0V 0A I[A] -100V -3kA -200V -6kA -300V -9kA -400V -12kA 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms Slide 32 (of 59) PQ -Symulacja, Prostownik 12 pulsowy, Sieć autonomiczna 100V THD_U = 4.21 % Napięcie 10V 1V 0.1V 1 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 10kA 1kA THD_I = 1.86 % Prąd 100A 10A 1A 1 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 Rząd harmonicznej Slide 33 (of 59) 11

PQ (Power Quality) Jakość Energii Elektrycznej Część III Zniekształcenia harmoniczne, filtracja pasywna i aktywna Slide 34 (of 59) Składowe harmoniczne Przebiegi odkształcone, niesinusoidalne Składowe harmoniczne efekt analizy Fouriera, opisujązniekształcenia przebiegu (udział%) Współczynnik THD Napięcia prądy Slide 35 (of 59) Harmoniczne - zagrożenia! Zwiększone straty, transformatory, przewody, silniki Zwiększone narażenia izolacji Rezonanse => oddziaływanie z filtrami Oddziaływanie z układami kompensacji mocy biernej Problemy zabezpieczeń Slide 36 (of 59) 12

Emisja harmonicznych prądu - normy PN-EN 61000-3-2:2007 (EMC) Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika < lub = 16 A) PN-EN 61000-3-12:2012 (EMC) Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu dla odbiorników o znamionowym prądzie fazowym > 16 A i < lub = 75A przyłączonych do publicznej sieci zasilającej niskiego napięcia IEC 61000-3-4 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-4: Limits - Limitation of emission of harmonic currents in low-voltage power supply systems for equipment with rated current greater than 16 A IEC 61000-3-6: Electromagnetic compatibility (EMC) Part 3-6: Limits Assessment of emission limits for the connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems Slide 37 (of 59) THD wymagania w środowisku przemysłowym PN-EN 61000-2-4 (EMC). Część 2-4: Środowisko Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeńprzewodzonych małej częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych Klasa 1 5% poziomy niższe niż w sieciach publicznych urządzenia bardzo wrażliwe, np. wyposażenie laboratoriów technicznych, urządzenia automatyzacji, zabezpieczeń, przetwarzania danych Klasa 2 8% dla PCC w sieciach publicznych i punktów przył. wewnątrz sieci IPC (Internal Point of Coupling) w przemysłowych i innych niepublicznych (Poziomy identyczne jak dla sieci publicznych urządzenia przewidziane do pracy w sieciach publicznych, mogą być używane w tej klasie środowiska przemysłowego) Klasa 3 10% tylko dla punktów przyłączeniowych wewnątrz sieci IPC w środowiskach przemysłowych, wyższe poziomy kompatybilności niż te w Klasie 2 Np. gdy: główna częśćobciążenia pochodzi od przekształtników, występująmaszyny spawalnicze, często uruchamiane sąduże silniki, szybkie wahania obciążenia. Slide 38 (of 59) PQ EMC Przewodzone Promieniowane PQ EMC LF RF Poziom sygnału Sub. Harm. Harm. EMI / RFI DC 16.7 50 2k 9k 150k 30M 300M Częstotliwość [Hz] 1G 3G 6G Slide 39 (of 59) 13

Obciążenia nieliniowe Prostowniki z obciążeniem RC, RL Slide 40 (of 59) Obciążenia nieliniowe Prostowniki z obciążeniem RC, RL 10 THD = 97% Amplitude [A] 1 100m H1 H3 H6 H9 H12 H15 H18 H21 H24 H27 H30 H33 H36 H39 Slide 41 (of 59) Wpływ odbiorników nieliniowych Slide 42 (of 59) 14

Rodzaje filtrów Bierne L, LC Selektywne (H5, H7), pasmowe H11 >>> Aktywne Równoległe Szeregowe Hybrydowe Szeregowo-równoległe Pasywno-aktywne Slide 43 (of 59) Filtry pasywne filtr dolno- lub pasmowo-przepustowe, zazwyczaj LC szeregowe lub równoległe Problem => zmiany obciążenia / prądu skuteczność zależna od pobieranej mocy współczynnik mocy w przedziale od 0,80 do 0,95 prosta budowa i niska cena Problem => rezonanse!!! Slide 44 (of 59) Filtracja pasywna Dławiki AC i DC Slide 45 (of 59) 15

Filtracja pasywna Dławiki AC i DC 10 THD = 29% Amplitude [A] 1 100m H1 H3 H6 H9 H12 H15 H18 H21 H24 H27 H30 H33 H36 H39 Slide 46 (of 59) Filtry aktywne układ przekształtnikowy bieżące dostosowanie do mocy zniekształceń współczynnik mocy od 0,90 do 0,99 (=1 i więcej!) THD < 10% Wysoki koszt, większa złożoność generowanie zaburzeń elektromagnetycznych Slide 47 (of 59) Filtracja aktywna I FILTER I FILTER (L1) 34 0-34 I SOURCE I SOURCE (L1) 19 0-19 90 I LOAD I LOAD (L1) 45 0-45 0.00 0.02 0.04 Slide 48 (of 59) 16

Filtry aktywne Równoległe / szeregowe Slide 49 (of 59) Układy prostownikowe (AC/DC) Prostowniki PWM/regeneratywne/czterokwadrantowe THDi 3-5% Slide 50 (of 59) Filtracja aktywna AFE, PFC, PWM Slide 51 (of 59) 17

Filtracja aktywna AFE, PFC, PWM 10 Amplitude [A] 1 THD = 3% 100m H1 H5 H10 H15 H20 H25 H30 H35 H40 Slide 52 (of 59) PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego Harmoniczne THD (do 40 harmonicznej) 8 % Składowe harmoniczne Urms uśredniane w ciągu 10min, w okresie kaŝdego tygodnia, 95% percentyl Slide 53 (of 59) PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego Harmoniczne THD (do 40 harmonicznej) 8 % 6% 5% PN-EN 50160 PN-EN 50160 4% 3% 2% 1% 0% H5 H10 H15 H20 H25 H30 H35 H40 Slide 54 (of 59) 18

PN-EN 61000-3-2 Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu I < 16 A Klasy urządzeń: Klasa A odbiorniki symetryczne trójfazowe, sprzęt do zastosowańdomowych oprócz klasy D, narzędzia z pominięciem narzędzi przenośnych, ściemniacze do żarówek, sprzęt akustyczny oraz wszystkie inne oprócz B, C i D Klasa B narzędzia przenośne, nieprofesjonalny sprzęt spawalniczy Klasa C sprzęt oświetleniowy Klasa D określony kształt prądu w półokresie!!!, komputery osobiste i monitory do komputerów, odbiorniki telewizyjne oraz urządzenia, które mająznaczący wpływ na publiczną sieć zasilającą. Slide 55 (of 59) PN-EN 61000-3-2 Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu I < 16 A Klasy A i B Wymagania sąstosunkowo łatwe do spełnienia. Dop. wartości harm. sąokreślane w [A] i nie zależąod mocy urządzenia. Klasy C i D Obejmująznacznie więcej urządzeń, Wymogi dla tych klas sąbardziej rygorystyczne, Wartości uzależnione od mocy pobieranej przez urządzenie, Prąd pobierany powinien być bardziej zbliżony do sinusoidalnego. Slide 56 (of 59) PN-EN 61000-3-2 Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu I < 16 A Klasa A Klasa B = A x 1,5 Rząd harmonicznej n Harmoniczne nieparzyste Maksymalny dopuszczalny prąd harmonicznej [A] 3A 3 2,3 1A Max N Max P PN EN 61000-3-2? 5 7 9 1,14 0,77 0,4 11 0,33 13 n 39 0,15 (15/n) Harmoniczne parzyste 0.1A 0.04A 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 Harmoniczne 2 4 0,3 8 8 n 40 1,08 0,43 0,77 0,4 0,23 Slide (8/n) 57 (of 59) 19

PN-EN 61000-3-2 Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu I < 16 A Klasa D 95% czasu poniżej obwiedni Nowa def. 2009!!! Prąd osiąga > 5% przed 60, nie spada poniżej <5% przed 90 (kąt w odniesieniu do przejścia przez 0 napięcia zasilania), (prąd 100% - max prąd szczytowy) 5% 100% 60 90 Slide 58 (of 59) Problemy Jakości Energii Elektrycznej w nowoczesnych instalacjach elektrycznych Jarosław Łuszcz Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechnika Gdańska Slide 59 (of 59) 20