zmiana wartości skutecznej napięcia

Transkrypt

Studia Podyplomowe
EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE
ENERGII ELEKTRYCZNEJ
w ramach projektu
Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji
Zarządzania Energią
JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ –
ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA
dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka, prof. AGH
JAKOŚĆ ENERGII
ELEKTRYCZNEJ - ZMIANA
WARTOŚCI SKUTECZNEJ
NAPIĘCIA
Zbigniew HANZELKA
ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ
NAPIĘCIA
Generacja
Sieć
zasilająca
Odbiorniki
• Generacja – dostosowuje się do zmieniających
się warunków obciążenia, utrzymując równowagę
pomiędzy produkcją i konsumpcją energii
• Sieć zasilająca – zmieniająca swoja strukturę na
skutek łączeń i podlegająca wpływom np. zwarć,
• Odbiorniki – o zmiennym poborze mocy czynnej i
biernej (odbiorniki niespokojne)
NAPIĘCIA
ZS
E
RSI0
I0
XSI0
U0
NAPIĘCIA
∆U
Wykres wskazowy
NAPIĘCIA
P
E − U 0 ∆U
Q
P
Q
≈
= RS 2 + X S 2 ≅ RS 2 +
U0
U0
U0
U0
U 0 S zw
∆U
Q
≅
U0
S ZW
P, Q - moce: czynna i bierna odbiornika,
SZW - moc zwarciowa w miejscu przyłączenia
NAPIĘCIA
120,000
560
119,500
520
119,000
480
118,500
440
118,000
400
117,500
360
117,000
320
116,500
280
116,000
240
115,500
200
115,000
11/02/02
12:00:00
prąd
12/02/02
00:00:00
12/02/02
12:00:00
13/02/02
00:00:00
13/02/02
12:00:00
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
ARMS (Right axis)
VRMS (Left axis)
napięcie
NAPIĘCIA
121,000
42,000,000
120,500
40,000,000
120,000
38,000,000
119,500
36,000,000
119,000
34,000,000
118,500
32,000,000
118,000
30,000,000
117,500
28,000,000
117,000
26,000,000
116,500
24,000,000
116,000
22,000,000
115,500
20,000,000
115,000
18,000,000
114,500
16,000,000
Moc
bierna Q
114,000
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
14,000,000
15/04/02
00:00:00
VAR (Right axis)
VRMS (Left axis)
Napięcie
NAPIĘCIA
400 V
sekcje łączone automatycznie
...
Napięcie
11:50:04
11:49:34
11:49:04
11:48:34
800
700
600
500
400
300
200
100
0
11:48:04
11:47:34
11:47:04
11:46:34
11:46:04
11:45:34
11:45:04
11:44:34
11:44:04
11:43:34
11:43:04
11:42:34
11:42:04
15 kV
11:41:34
11:41:04
NAPIĘCIA
Prąd
ZMIANY WARTOŚCI SKUTECZNEJ
NAPIĘCIA
Szybka zmiana napięcia Wahania napięcia
amplituda
wzrosty
UN+10%
UN
UN-10%
krótkie przerwy
zapady
długie przerwy
10%UN
10 ms
1s
1 min
1h
czas trwania
zaburzenia
NAPIĘCIA
Max.
Min.
NAPIĘCIA
Miary statystyczne
(a)
Zmiana w czasie wartości
skutecznej napięcia w
okresie jednego tygodnia
(100%);
(b)
Charakterystyka uporządkowana
oraz percentyle CP05 i CP95
(dopisać CP05 i CP95)
NAPIĘCIA
W każdym tygodniu 95 % ze zbioru 10-minutowych średnich
wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno,
wyłączając przerwy w zasilaniu mieścić się w przedziale
odchyleń:
Grupa przyłączeniowa I i II
(a) +/-10 % napięcia znamionowego dla sieci o napięciu
znamionowym 110 kV i 220 kV
(b) +5%/-10% napięcia znamionowego dla sieci o napięciu
znamionowym 400 kV
Grupa przyłączeniowa III-V
W każdym tygodniu 95 % ze zbioru 10-minutowych średnich
wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno,
wyłączając przerwy w zasilaniu mieścić się w przedziale
odchyleń +/- 10 % napięcia znamionowego
ROZPORZĄDZENIE SYSTEMOWE …..
… warunkiem utrzymania parametrów napięcia
zasilającego w określonych granicach jest pobieranie
przez odbiorcę mocy czynnej nie większej od mocy
umownej, przy współczynniku tgφ nie większym niż
0,4.
Z analizy statystycznej będącej podstawą oceny
jakości napięcia należy wykluczyć te wyniki
pomiarów, które zostały zmierzone w warunkach
przekroczenia mocy umownej lub wartości
współczynnika tg φ ˃ 0,4.
…..
POMIAR NAPIĘCIA
POMIAR NAPIĘCIA
T
U RMS
1 2
=
u
(
t
)
dt
∫
T 0
maksymalna
średnia
minimalna
POMIAR NAPIĘCIA
T
U RMS
1 2
=
u (t ) dt
∫
T 0
N
U rms − 0 , 2 =
∑u
i =1
N
2
POMIAR NAPIĘCIA
Agregacja pomiarów
15
∑U
przedział 3 s
U rms − 3s =
2
rms − 0 ,2 s
i =1
15
N
przedział 10 min
U rms −10 min =
∑U
i =1
2
rms − 0 , 2 s
(i )
k
12
przedział 2 h
∑U
U rms − 2h =
2
rms −10 min
i =1
12
gdzie:
Urms-0,2 – wartość skuteczna zmierzona w oknie 10 okresowym,
k – liczba próbek 10 okresowych w czasie 10 minut, dla 50 Hz k=3000,
POMIAR NAPIĘCIA
1
2
3
4
N
U rms (1 / 2) =
10 ms
„ruchoma średnia”
Czas
2
u
∑
i =1
N
EN 61000-4-30: Kompatybilność
elektromagnetyczna (EMC), Część 4-30:
Metody badań i pomiarów - Metody
pomiaru jakości energii
Polski Komitet
Normalizacyjny
Rodzaje mierników:
klasa A (wartość skuteczna uaktualniana co ½ okresu)
klasa S (wartość skuteczna uaktualniana co okres,
mniejsze przedziały zmienności sygnałów wejściowych
…)
klasa B
pomiaru jakości energii Klasa A
200
∑U
i =1
U rms −10− min =
2
rms −3− s
200
N
U rms − 200− ms =
∑u
2
i =1
N
15
U rms −3− s =
∑U
i =1
2
rms − 200 − ms
15
12
U rms − 2− h =
∑U
i =1
2
rms −10− min
12
Polski Komitet
Normalizacyjny
POMIAR NAPIĘCIA
Max.
Average
Min.
EN 50 160:
Parametry napięcia zasilającego
w publicznych sieciach rozdzielczych
Węgry
Zmiany napięcia powinny zawierać się w
przedziale Un ±7,5% dla CP95 (10. minutowe
wartości skuteczne)
Wszystkie 10. minutowe wartości skuteczne
muszą być w przedziale +10% i -15% napięcia
znamionowego
Powyższe wartości dopuszczalne dotyczą
zarówno nN jak i SN
POMIAR NAPIĘCIA
207 V
10 min – 3,5%
4h50’
POMIAR NAPIĘCIA
207 V
28 %
10 min – 3,5% 1 min – 28,5%
EN 50 160:
Węgry
Maksymalny poziom napięcia: Un + 15 %
dla wartości średnich 1. minutowych
Powyższe wartości dopuszczalne dotyczą
zarówno nN jak i SN
STABILIZACJA NAPIĘCIA
autotransformatory lub transformatory z przełącznikami zaczepów
stosowane w wersji zarówno mechanicznej (od 15 do nawet 45s) jak i
energoelektronicznej
skracanie obwodów sieci nN przez zwiększanie liczby stacji
transformatorowych SN/Nn
szeregowe transformatory regulacyjne (jedno- lub trójfazowe)
urządzenia regulacyjne tj. UPS, transformatory ferrorezonasowe,
układy silnik-generator itp.
regulacja napięcia poprzez zmianę rozpływu mocy biernej
(kondensatory: równoległe i szeregowe)
STABILIZACJA NAPIĘCIA
odbiorni
k
U
Wzrost napięcia
spowodowany
obecnością
kondensatora
odbiornik
U
Redukcja napięcia
spowodowana
pracą
odbiornika
Wzrost napięcia
spowodowany
obecnością
kondensatora
RODZAJE ZMIAN NAPIĘCIA
U
t
Zmiany napięcia:
wolne lub szybkie,
pojedyncze lub powtarzalne,
gwałtowne lub o skończonym czasie
Whania napięcia – nagła zmiana napięcia o
powtarzalnym charakterze
U(t)
Rodzaj a: Prostokątne i
okresowe o stałej
amplitudzie (np. łączenie
rezystancyjnego
odbiornika, zgrzewarka
oporowa itp.),
t
U(t)
Rodzaj b: szeregi
nieregularnych zmian
napięcia o różnych
amplitudach, i
identycznych (lub nie)
dolnych lub górnych
wartościach
t
Rodzaj c: oddzielone
zmiany napięcia, nie
zawsze o gwałtownym
charakterze (rozruchy
silników, łączenie
odbiorników
nierezystancyjnych itp.)
U(t)
t
U(t)
Rodzaj d: seria losowych
zmian napięcia (np. praca
pieca łukowego
t
ZMIANY NAPIĘCIA
charakterystyka RMS - U(t)
EN 61000-3-3
charakterystyka
zmian napięcia
∆U(t)
SZYBKIE ZMIANY NAPIĘCIA
napięcie
Przykładowa zmiana wartości skutecznej napięcia i prądu
podczas przełączania zaczepów transformatora WN/SN
SZYBKIE ZMIANY NAPIĘCIA
napięcie
EN 50 160:
Polski Komitet
Normalizacyjny
Pojedyncza, szybka zmiana wartości skutecznej napięcia
pomiędzy dwoma kolejnymi jego poziomami, które
utrzymują się przez skończony, lecz nie określony
przedział czasu
Minimalna wartość (du/dt)
Minimalny czas trwania warunków ustalonych
Wartość zmiany napięcia: maksymalna i/lub ustalona
Które napięcie przyjmuje się za napięcie referencyjne
…
EN 50 160:
Ustalona zmiana napięcia - 10 V.
Polski Komitet
Normalizacyjny
EN 50 160:
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.
EN 50 160:
Szybkie zmiany napięcia:
1. Brak definicji i miar liczbowych zaburzenia
• nN: 5%UN, rzadko 10%UN
• SN: 4-6%UC
Polski Komitet
Normalizacyjny
EN 50 160:
Polski Komitet
Normalizacyjny
„…W normalnych warunkach pracy szybkie
zmiany napięcia nie przekraczają z reguły 4 %
Uc, jednakże w pewnych okolicznościach, kilka
razy w ciągu dnia, mogą wystąpić zmiany
napięcia o krótkim czasie trwania, osiągające
wartość do 6 % Uc…”
UKŁADY STABILIZACJI NAPIĘCIA
autotransformatory lub transformatory z przełącznikami
zaczepów
szeregowe transformatory dodawcze
urządzenia regulacyjne
kondensatory równoległe i szeregowe
WAHANIA NAPIĘCIA
WAHANIA NAPIĘCIA
Przykład zmian wartości skutecznej napięcia w sieci
komunalnej
WAHANIA NAPIĘCIA
WAHANIA NAPIĘCIA
ŹRÓDŁA WAHAŃ NAPIĘCIA
Zmiana mocy biernej odbiorników niespokojnych np.
piece łukowe, walcownie, maszyny wyciągowe itp.
Łączenie baterii kondensatorów, praca przełącznika
zaczepów transformatora, rozruchy silników,
spawarki, odbiorniki elektrotermiczne, regulatory
mocy, młoty, pompy, kompresory, dźwigi, windy –
odbiorniki o dużych zmianach mocy w relacji do mocy
zwarcia w punkcie przyłączenia,
Interharmoniczne napięcia.
moc
bierna
1s
napięcie
czas
Piec łukowy
Zgrzewarka
Spawarka
400
300
200
100
0
-1 0 0
-2 0 0
-3 0 0
-4 0 0
0 .0 5
0 .1 0
( fi l e K o n d e n s . p l 4 ; x - v a r t )
v: V A
0 .1 5
c :XA
-V A
0 .2 0
t: U A R M S
0 .2 5
0 .3 0
0 .3 5
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
0.08
0.09
(file Kondens.pl4; x-var t)
v:VA
0.10
c:XA
-VA
0.11
t: UARMS
∆U QC
=
U
S sc
0.12
0.13
0.14
Rozruch
silnika
150
0,1 s
(T)
100
50
t [s]
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
-50
-100
-150
u( t ) = U m ( 1 + m cos Ωt ) cos ωt
0,3
u( t ) = U m ( 1 + m cos Ωt ) cos ωt
ω
pulsacja (= 2π
π x 50 (60) Hz)
Ω
pulsacja modulacji
m
= ∆U/2U gdzie ∆U jest różnicą pomiędzy
min. i max. wartością skuteczna napięcia; U
jest skuteczną wartością napięcia
wyznaczoną np. za pomocą filtru o stałej
czasowej równej 1 min.
Um
[cos (ω − Ω )t + cos (ω + Ω )t ]
u ( t ) = U m cos (ωt ) +
2
Um
[cos (ω − Ω )t + cos (ω + Ω )t ]
u ( t ) = U m cos (ωt ) +
2
U
Um
2
mUm
ω
2 2
ω -Ω
ω
ω +Ω
Zależność max. skutecznej wartości zmian napięcia od
częstotliwości interharmonicznej o stałej amplitudzie
(0.2% składowej podstawowej)
Faza L1
Faza L2
Prąd i napięcie
podczas
rozruchu
turbiny
wiatrowej
Przebiegi napięcia na wyjściu UPS
28.121 Hz
71.865 Hz
SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA
Φ ~U
γ
Φ ≈ U3,1 ÷3,7
Lampy fluorescencyjne: 1.3-1.7
% napięcia znamionowego
Przebieg strumienia
świetlnego Φ(t)
Przebieg napięcia
zasilającego u(t)
Wahania napięcia mogą wywołać:
- irytację,
- uczucie zmęczenia
- trudności z koncentracją,
- obniżenie efektywności pracy i jej jakości
- zmniejszenie bezpieczeństwa pracy.
Czytanie i oglądanie TV
120V żarówka
230V żarówka
l. fluorescencyjna
Ograniczone pasmo postrzegania (0.05-35 Hz).
Zależność od częstotliwości (granica postrzegania i
irytacji).
Częstotliwość rezonansowa (8-9 Hz).
Efekt psychofizyczny – zależny od amplitudy,
częstotliwości, czasu trwania zaburzenia,
powtarzalności.
Problemy epileptyczne
Testy pilotów
CHARAKTERYSTYKA CENELEC
10
230 V
120 V
∆U/U[%]
100 V
1
0,1
0,1
1
10
100
Liczba prostokątnych zmian napięcia na minutę
1000
10000
Przekształtniki statyczne
Proces elektrolizy
Urządzenia elektrotermiczne
Silniki elektryczne
Styczniki i przekaźniki
Piece łukowe
Silniki elektryczne
Wahania napięcia mogą być przyczyną powstawania składowej
zmiennej momentu elektromagnetycznego powodującego
dodatkowe drgania mechaniczne silnika. Skutkiem tego
zjawiska może być szybsze zużywanie się elementów
mechanicznych (np. łożysk) i znaczne zmniejszenie się okresu
eksploatacji silnika pomiędzy remontami.
Straty ekonomiczne w tym przypadku wynikają z kosztów
dodatkowych remontów oraz z zwiększonego czasu przestoju
napędzanego urządzenia technologicznego.
Odbiorniki elektrotermiczne
Piece łukowe
Wahania napięcia utrudniają optymalne wykorzystanie mocy
transformatora piecowego wymuszając dodatkowe procesy
regulacyjne związane z utrzymaniem właściwej długości łuku
elektrycznego.
Najczęściej wydłuża to czas wytopu stali, a w konsekwencji
zmniejsza wydajność pieca i w związku z tym powoduje straty
ekonomiczne.
Aparatura stycznikowo-przekaźnikowa
Wahania napięcia mogą powodować zakłócenia w pracy
styczniów i przekaźników powodując często zbędne
wyłączenia urządzeń, a nawet procesów technologicznych
oraz błędne zadziałania zabezpieczeń.
Skutki finansowe takich awarii mogą być znaczne.
Urządzenia energoelektroniczne
1500
Ud
1000
8001000
Ia
Ia[A], Ua[V]
Ia[A], Ua[V], Ud[V]
600
Ia
400 500
Ua
200
Ua
0
0
-200
-400 -500
-600
-800-100040
60
-1000
100
10
80
105
100
110
120
t[ms]
115
t[ms]
10
140
160
120
180
200
125
130
9
8
8
Ih/I1 [%]
6
5
Ih/I1 [% ]
7
6
4
4
3
2
2
1
0
2
0
5
3
4
7
5
6
11
7
8
13
9
10
11
17
12 13 14 15 16
nr harmnicznej
19
23
17
18
25
19
20
29
21
22
23
24
25
31
nr harmonicznej
NieZmodulowane
zmodulowanenapięcie
napięcie
POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA
Względna zmiana napięcia
d = ∆U/UN [%] i częstotliwość
Współczynniki wahań napięcia
(migotania światła) Pst i Plt
10
230 V
120 V
0 U/U[%]
100 V
1
7
0,1
0,1
1
10
100
1000
Number of rectangular voltage changes per minute
10000
Sygnał chwilowego migotania światła
Sygnał
napięcia
Model
źródła
światła
Model wpływu zmian
strumienia świetlnego
na reakcje mózgowe
człowieka
Obróbka
statystyczna
(10 min.)
PST
Schemat blokowy miernika migotania światła UIE
Charakterystyka częstotliwościowa filtru ważonego miernika
migotania światła UIE
ilustracja sposobu
wyznaczania czasu
występowania
migotania na różnych
poziomach wartości
WSPÓŁCZYNNIKI CHARAKTERYZUJĄCE
WAHANIA NAPIĘCIA
Krótkoterminowy współczynnik migotania światła
N
Pst
Plt
10 min
2h
PLT =
3
∑P
3
STi
i =1
N
WSPÓŁCZYNNIK Pst
Permanent recording graph
0.3
0.28
0.26
0.24
0.22
None (Left axis)
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
31/01/02
02:00:00
31/01/02
04:00:00
31/01/02
06:00:00
31/01/02
08:00:00
31/01/02
10:00:00
31/01/02
12:00:00
31/01/02
14:00:00
31/01/02
16:00:00
31/01/02
18:00:00
31/01/02
20:00:00
31/01/02
22:00:00
01/02/02
00:00:00
WSPÓŁCZYNNIK Plt
WSPÓŁCZYNNIK Pst i Plt
Długookresowy
wskaźnik migotania
światła (tydzień) Plt
Faza C C
Phase
2,500
2,000
PLT
1,500
1,000
95%
0,500
0,000
1,2%
9,5%
17,9% 26,2% 35,7% 46,4% 54,8% 63,1% 71,4% 79,8% 88,1% 96,4%
Time %
% czasu pom iaru
Charakterystyka uporządkowana Plt będąca podstawa wyznaczania wartości
P95
Instrument 1, 2, 3, 6, 7, 8
Instrument 5
Instrument 4, 9
Instrument 10
NORMALIZACJA
pomiaru jakości energii
Polski Komitet
Normalizacyjny
IEC 61000-4-15: Kompatybilność elektromagnetyczna
(EMC), Metody badań i pomiarów - Miernik migotania
światła - Specyfikacja funkcjonalna i projektowa
IEC 61000-3-7: Assessment of emission limits for
fluctuating loads in MV and HV power systems
POZIOMY ODPORNOŚCI
IEC 61000-4-14: Voltage fluctuation Immunity test
Klasa 1 -
dotyczy urządzeń szczególnie wrażliwych na
zmiany
(wahania)
napięcia,
dla
których
poziomy
kompatybilności są niższe niż przyjęte dla sieci publicznych.
Dla tych urządzeń należy stosować specjalne sposoby
zasilania z wykorzystaniem różnego rodzaju filtrów, układów
UPS, itp.
Klasa 2 -
dotyczy urządzeń przyłączonych do punktu
wspólnego przyłączenia (PWP) zarówno w sieci publicznej
jak i przemysłowej.
Klasa 3 -
dotyczy urządzeń przeznaczonych do pracy w
środowisku
przemysłowym,
dla
których
poziomy
kompatybilności są wyższe niż dla urządzeń klasy 2.
CHARAKTERYSTYKI NAPIĘCIA
PN EN 50 160
POZIOMY PLANOWANE
POZIOMY PLANOWANE
nN
SN
WN i NN
Pst
1,0
0,9 (1,0)
0,8 (0,8)
Plt
0,7
0,7
0,6
W nawiasach podano wartości rekomendowane przez UIE
Wymagania jakościowe różniące się
od EN 50 160
Wahania napięcia
Wartości graniczne wahań napięcia przyjęte Norwegii
Wskaźnik
0,23 ≤ UN ≤ 35 kV
35 kV < UN
Przedział czasu
PST
1,2
1,0
95% tygodnia
PLT
1,0
0,8
100% tygodnia
PRZYKŁAD – Warunki zasilania odbiorcy
komunalnego
Rodzaj zasilania:
Napięcie znamionowe:
3-fazy, 4-przewody
230V
AL 4x35mm2
AL 4x25mm2
447m
50m
YAKY
4x35mm2
16m
15,7 kV / 0,4 kV
SN = 100 kVA
SZ = 75,64 MVA
Yzn5; 4,25%
Odbiorca 1
Punkt
przyłączenia
przyrządu
Odbiorca 2
AsXS 4x50mm2
YAKY
4x35mm2
komunalnego
komunalnego
Kwantyl 95% - UA95 = 232.2V
komunalnego
komunalnego
Faza A
1,400
1,200
PLT
1,000
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
1,19% 9,52% 19,05% 29,76% 39,29% 50,00% 59,52% 69,05% 80,95% 89,29% 97,62%
2,38%
%czasu pomiaru
Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie A, wartość współczynnika
Plt przekracza 1 – 2,38%.
komunalnego
Faza B
2,000
1,800
1,600
PLT
1,400
1,200
1,000
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
1,19% 9,52% 17,86%26,19% 34,52%42,86%51,19% 60,71%71,43% 80,95%89,29%98,81%
9.6%
%czasu pomiaru
Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie B, wartość
współczynnika Plt przekracza 1 – 9,6%.
komunalnego
Faza C
2,500
2,000
PLT
1,500
1,000
0,500
0,000
1,2% 9,5% 17,9% 26,2% 35,7% 46,4% 54,8% 63,1% 71,4% 79,8% 88,1% 96,4%
19.2%
%czasu pomiaru
Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie C, wartość
współczynnika Plt przekracza 1 – 19,2%.
komunalnego
Jednofazowa spawarka
Trójfazowa spawarka
SPOSOBY REDUKCJI I ELIMINACJI
SKUTKÓW WAHAŃ NAPIĘCIA
SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ
NAPIĘCIA
Zwiększenie
mocy
zwarciowej
w
punkcie
odbiorników niespokojnych można uzyskać poprzez:
zasilania
zastosowanie do zasilania odbiorników transformatora o
większej mocy znamionowej i mniejszym napięciu zwarcia,
przyłączenie odbiorników niespokojnych do sieci o
wyższym napięciu znamionowym (poprzez odpowiedni
transformator),
zasilanie odbiorników niespokojnych o dużych mocach za
pomocą specjalnych (adresowanych) linii bezpośrednio ze
stacji wysokiego napięcia energetyki zawodowej,
zastosowanie kondensatorów szeregowych w układzie
zasilającym (także szeregowych kondensatorów)
NAPIĘCIA
Xc
1
X = X L − XC = ω ⋅ L −
ω ⋅C
NAPIĘCIA
Piec łukowy – szeregowe dławiki, właściwa praca
automatyki posuwu elektrod, wstępne przygotowanie
wsadu, itp.
Spawarki – zasilanie z oddzielnych transformatorów,
stosowanie agregatów trójfazowych, przytłaczanie do
fazy nie obciążonej odbiornikami oświetleniowymi itp.
Układy złagodzonego rozruchu silników elektrycznych
Wzrost odporności odbiorników na wahania napięcia
NAPIĘCIA
∆U X∆Q ∆Q
≈ 2 =
UN
S zw
UN
∆U * X ( ∆Q − ∆QC ) ∆Q − ∆QC
≈
=
2
UN
UN
S zw
U2
P2 + j⋅Q2
R
U1
R + j⋅X
Pl + j⋅Ql
Pl + j⋅(Ql-Qc)
Qc
C
NAPIĘCIA
DYNAMICZNE STABILIZATORY NAPIĘCIA
Statyczne
Energoelektroniczne
Liniowokomutow
ane
Wirujące
Nasycone dławiki
STATCOM
Samokomutuj
ace
DVR
TSC
TSC/TCR
MASZYNA SYNCHRONICZNA
Ek
PCC
Supply network
jIXd
Fluctuating load
-U
~U
Control
system
Tr
Reference voltage
I
.
IF
Synchronous
compensator
ϕ
Converter
U
(a) maszyna synchroniczna pracująca w układzie dynamicznego
stabilizatora napięcia;
(b)wykres wskazowy
KOMPENSATOR STATYCZNY
Kompensator z nasyconymi dławikami:
Samonasycający się dławik (self-saturable reactor - SR)
Dławik z podmagnesowaniem prądem stałym
a)
b)
Φm
Ik
U
Umax
UN
Umin
∆U
U
zakres pracy
Ik
Ikmin
IkN
Ikmax
KOMPENSATOR STATYCZNY
U
a)
Ik
...
Kompensator z samonasycającym
się dławikiem:
Is
Ik
Io
odbiornik
C2
SR
Lk
ochrona
przepi ęciowa
C1
a) schemat układu
filtr
U
b)
∆U
Lk
b) charakterystyka naturalna dławika
Ik
U
c)
∆U’
∆U’ < ∆U
Lk
Ik
Ck
c) charakterystyka z korekcją
nachylenia
U
a)
∆U
C1
C1+ C2
Lk
Ik
d) charakterystyka z równoległymi
kondensatorami
DŁAWIK Z OBWODEM STERUJĄCYM PRĄDU STAŁEGO
uac
iac
udc
idc
a) jednofazowy schemat zastępczy;
(a)
Φ
b) przebiegi czasowe strumieni
magnetycznych ilustrujące
zasadę działania kompensatora
f
fΣ2
Φ
2
f
Φ1
Σ1
fdc1
Φ
dc1
b
β11
iac
b
β2
2
iac,2
iac,1
wt
(b)
fdc2
Φ
dc 2
wt
THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC)
Sieć
zasilająca
Układ
Odbiornik sterowania
TSC
120
120
Uc0
100
80
u(t)
60
40
20
20
0
0
0
5
10
15
20
25
30
-40
-60
u(t)
60
40
-20
UC0
100
80
-20
0
5
10
15
20
25
30
-40
-60
i(t)
-80
-80
-100
-100
-120
-120
a)
u = U m sin( ωt + ϕu )
i(t)
b)
cos ϕu = 0


n2

i( t ) = I m cos(ωt + ϕu ) − nBC UC 0 − 2 Um sinϕu  sin ωnt − I m cos2
ϕu cosωnt
n −1


U C 0 = ±U m
n = X C / X L ωn = 1 / LC = nω
n
n −1
2
u
i
u
u co =u
t
u
uc
moment załączenia
moment wyłączenia
(a)
uc
u=u c
i
u co < u
t
moment załączenia
(b)
moment wyłączenia
uc
u
u co > u
t
i
moment wyłączenia
moment załączenia
(c)
QFC
=
QTCR(α)
+
Qodb.(t)
PCC
C
u0
T
L
i FC
L
i TCR
FC
Odbiornik
Load
Qodb(t)
i0
TCR
FC/TCR
(a)
u0
P
iTCR (a =—)
2
iTCR(1)
iTCR(a 2)
a3
wt
a2
P
a =—
2
iTCR(a 3)
iTCR(a 1)
(b)
=
const.
FC/TCR COMPENSATOR
Supply network
T
Load
T
T
Control
system
L
L
Voltage/reactive power reference
L
FC
TCR
FC / TCR
FC/TCR COMPENSATOR
FC/TCR COMPENSATOR
TSC/TCR
STATCOM
i
i
ux
ux
u bus
i
Xr
u vsc
LOAD
Odbiornik
u bus
u bus
u vsc
u vsc
VSC
STATCOM
u bus < u vsc
u bus > u vsc
STATCOM
(a) Schemat ideowy
kompensatora STATCOM
przyłączonego do sieci
zasilającej
Wykresy wskazowe
ilustrujące pracę
kompensatora dla
wyróżnionych
przypadków, gdy
kompensator jest
odbiornikiem mocy
biernej (b)
pojemnościowej i (c)
indukcyjnej
STATCOM
Kompensator STATCOM do
kompensacji pieca
łukowego
Napięcie na szynach elektrostalowni
przy wyłączonym (góra) i załączonym
(dół) kompensatorze
STABILIZATOR SZEREGOWY
∆U
PWP
Odbior
nik
U(1)
U(1)
STABILIZATOR SZEREGOWY
PROPAGACJA
WAHAŃ NAPIĘCIA
Propagacja wahań napięcia
spowodowanych pracą pojedynczego
odbiornika niespokojnego
TPst AB
Pst ( B )
=
Pst ( A )
Odbiornik
niespokojny
Pst ( A) = Pst ( P)
TPst PA
ZA
Z A + Z AB + Z BP
≈ Pst ( P )
S SC ( P)
S SC ( A)
ZA
Pst ( A )
=
=
Pst ( P ) Z A + Z AB + Z BP
Z A + Z AB
Pst ( B ) = Pst ( P )
Z A + Z AB + Z BP
TPst PB
Z A + Z AB
Pst ( B )
=
=
Pst ( P ) Z A + Z AB + Z BP
TPst PD
Pst ( D ) Pst ( A ) Pst ( D )
=
=
×
= TPst PA × TPst DA = TPst PA
Pst ( P ) Pst ( P ) Pst ( A )
TPst PC
Pst ( C ) Pst ( P )
=
=
=1
Pst ( P ) Pst ( P )
z sieci NN do sieci WN
współczynnik tłumienia ~ 0,8
z sieci WN do sieci SN
współczynnik tłumienia ~ 0,9
z sieci SN do sieci nN
współczynnik tłumienia ~ 1
WAHANIA NAPIĘCIA
ZAGADNIENIA WYBRANE
Sumowanie wahań
różnych źródeł
Pst = m ∑ P
m
st j
j
napięcia
pochodzących
z
Plt = m ∑ P
m
lt j
j
m=4
stosowany tylko do sumowania wahań napięcia pochodzących od pieców
łukowych, które pracują w sposób wykluczający równoczesność
roztapiania
m=3
stosowany powszechnie dla większości rodzajów zmian napięcia w
przypadku, gdy prawdopodobieństwo jednoczesnej pracy jest ograniczone
m = 3,2
stosowany dla prostoliniowej części charakterystyki Pst = 1
m=2
stosowany w przypadku, gdy równoczesność pracy różnych źródeł jest
możliwa np. przy równoczesnej pracy kilku pieców lub ciągłej pracy kilku
elektrowni wiatrowych przyłączonych w tym samym PWP
m=1
stosowany przy sumowaniu zgodnych zmian napięcia (duże
prawdopodobieństwo równoczesnej pracy odbiorników niespokojnych)
PRZYKŁAD 1
Odbiorca A
Odbiorca B
PRZYKŁAD 1
Wykonano pomiary wskaźnika Pst dla różnych przesunięć fazowych pomiędzy
wahaniami napięcia wywołanymi przez dwa źródła wahań napięcia.
Źródła wahań zostały zamodelowane jako dwie modulacje nałożone na 50-hercowy
przebieg napięcia w PWP (15 kV, 50 Hz). Obie modulacje miały charakter okresowy
o 3 % amplitudzie i częstotliwości 8 Hz.
W przypadku pracy indywidualnej źródeł
średnia wartość wskaźnika migotania Pst
wyniosła 8,48.
PRZYKŁAD 1
Wpływ kąta przesunięcia fazowego ϕ na wartość wskaźnika
Pst w PWP
PRZYKŁAD 2
Wyniki symulacji dla zmiennej częstotliwości modulacji
jednego ze źródeł (fmod = 1 – 20 Hz) i stałej (8 Hz)
modulacji drugiego źródła.
Pst
20
pomiar miernika
18
Pst1+Pst2
Zależność
zmierzonej i
obliczonej
wartości Pst od
częstotliwości
funkcji
modulującej
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
f [Hz]
Pst = m ∑ P
m
sti
PRZYKŁAD 2
i
Pst
20
Pst PWP
18
m=2
m=1
m=3
16
m=3,2
m=4
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
f [Hz]
Wartości PstPWP zmierzone miernikiem migotania oraz obliczone w
oparciu o metodę superpozycji
POMIARY WAHAŃ NAPIĘCIA PODCZAS PRACY
ODBIORNIKA NIESPOKOJNEGO I PO JEGO WYŁĄCZENIU
Schemat
rozdzielni w
hucie
POMIARY WAHAŃ NAPIĘCIA PODCZAS PRACY
ODBIORNIKA NIESPOKOJNEGO I PO JEGO WYŁĄCZENIU
Pomiary wahań napięcia
podczas pracy
odbiornika
niespokojnego i po jego
wyłączeniu
METODA KORELACYJNA
Korelacja zmian
mocy czynnej i
wskaźnika
migotania w
fazie L1 - GPZ
Lubocza
Korelacja zmian
mocy biernej i
wskaźnika
migotania w
fazie L1 - GPZ
Lubocza
METODA KORELACYJNA
Przykład dwóch stalowni
przyłączonych do PWP
Korelacja zmian mocy odbiorników
i wahań napięcia
Odbiorcy
komunalni
110/220/400
kV
P1
Odbiorcy
komunalni
110 kV
Odbiorcy
komunalni
110/220/400
kV
P3
Odbiorcy
komunalni
110/220/400
kV
P2
H1
H2
Odbiorcy
komunalni
110 Kv
H3
PST,P3
PST,P2
Stade D.,
Schau H.,
Novitsky A.:
Flicker analysis
in the H.V.
transmission
system, 07803-76714/02 IEEE
PST,P1
PST,H1
PST,H2
PST,H3
METODA 3
Wpływ wahań w poszczególnych gałęziach sieci
na całkowite zaburzenie w PWP
∆U = ∆U 1 + ∆U 2 + ... + ∆U i + ... + ∆U n
∆U i ≈ X S ⋅ Im(∆I Li )
METODA 4
Wykorzystanie pomiaru migotania prądu
1133A Power SentinelTM firmy Arbiter Systems
Jeżeli migotanie prądu jest mniejsze lub równe
migotaniu napięcia, to źródło wahań jest po stronie
zasilania.
Wskaźnik migotania prądu powinien być większy (a
nawet dużo większy) od wskaźnika migotania
napięcia w przypadku, gdy źródło zaburzeń znajduje
się po stronie odbiorcy.
METODA 5
Bezpośredni ciągły pomiar emisji wahań napięcia
z wykorzystaniem impedancji odniesienia
METODA 6
Wykorzystanie zmienności amplitudy wahań napięcia
Schemat
zastępczy sieci
niskiego napięcia
Amplituda zmian napięcia w liniach
pomiędzy:
a) węzłami b – i
b) węzłami b – m
OCENA EMISJI WAHAŃ NAPIĘCIA
ODBIORNIKÓW DUŻEJ MOCY
Pst
20 Ocena
Pst PWP
poziomu emisji wahań na podstawie pomiarów porównawczych
m=1
m=2
18

m
=
∑

P
P
14
st
st
i

12
16
10
8
6
1m

i

m=3
m=3,2
m = 1 … 3… 4
m=4
(Pst )i = 3 Pst3 ,z odbiornikiem − Pst3 ,bez odbiornika
4
2
0
1
2
3
- pomiary przeprowadzane w różnym
czasie
- 4dobór
5
6 wartości
7
8
9wskaźnika
10 11 12 m=3
13 14 15 16 17
18
19
20
f [Hz]
Ocena poziomu emisji wahań na podstawie analizy statystycznej
Podejście statystyczne oparte na założeniu rozkładu normalnego dla
stanu z przyłączonym i wyłączonym odbiornikiem niespokojnym
µi = µ z odbiornikiem − µ bez odbiornika
σi =
2
σ z odbiornikiem
2
− σ bez odbiornika
Ocena poziomu emisji wahań na podstawie analizy statystycznej
Podejście statystyczne oparte na równoczesnym pomiarze wahań
napięcia i mocy
Pomiar 24 h (WN)
Pst i Plt dla trzech pieców łukowych
...........
piec A (AC, 100
MVA)
______
piec B (AC, 100
MVA)
||||||||||
piec C (DC, 95
MVA)
1.5
1.4
Pst, Plt (pu)
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
Pst99%
Pst95%
Plt99%
Plt95%
0.6
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Number of Pst values
Pomiar ciągły (całkowity poziom wahań)
35000
1.5
Pst99%
1.4
Pst95%
Plt99%
Plt95%
Pst, Plt (pu)
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0
500
1000
1500
2000
2500
Pomiar nieciągły (pracował tylko piec A)
3000
1.5
Pst99%
1.4
Pst95%
Plt99%
Plt95%
Pst, Plt (pu)
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Pomiar nieciągły (pracował tylko piec B)
3500
1.5
1.4
1.3
Pst, Plt (pu)
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
Pst99%
Pst95%
Plt99%
Plt95%
0.6
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Pomiar nieciągły (pracował tylko piec C)
3500
Bezpośrednie on-line pomiary poziomu emisji wahań napięcia
Metoda 1: Podejście uproszczone
Schemat zastępczy
sieci dla rozważań
zgodnych z Metodą 1
S ZW ( A )
Z1
X1
Pst ( B ) ≈
Pst ( A ) =
Pst ( A ) ≈
Pst ( A )
Z1 + Z 2
S ZW ( B )
X1 + X 2
Metoda 2: Analiza spadku napięcia
Z1
Z2
∆u ( A ) = ∆ubg ( A ) + ∆ui ( A )
∆u (B ) = ∆ubg (B ) + ∆ui (B )
∆ubg ( A ) ≈ ∆ubg (B )
Z1
∆ui (B ) =
∆ui ( A )
Z1 + Z2
∆u ( AB ) = ∆u ( A ) − ∆u (B ) = ∆ubg ( A ) + ∆ui ( A ) − ∆ubg (B ) − ∆ui (B ) =
∆ubg (B ) + ∆ui (B ) ⋅
Z1 + Z2
Z
− ∆ubg (B ) − ∆ui (B ) = 2 ⋅ ∆ui (B )
Z1
Z1
Metoda 3: Analiza prądu odbiornika
di1 (t )
u (t ) = u m (t ) + R1i1 (t ) + L1
dt
uN ( t ) =
2
U N sin(ωt + α )
3
diOdb .( t )
u e ( t ) = u N ( t ) − R1iOdb .( t ) − L1
dt
Metoda 4: Pomiary i symulacje
Pst_o (udział odbiorcy)
Model sieci : E, Z
Model odbiornika:
pomiar mocy P i Q w
każdym okresie lub
półokresie
Model
miernika
migotania
Zmierzona wartość mocy
P(kW) odbiorcy
Zmierzona wartość mocy
Q(kVAr) odbiorcy
Symulacja
PWP (V)
napięcia
w
Metoda 4: Pomiary i symulacje
Pomiar P (W)
Pomiar Q(VAr)
Pomiar (V)
Symulacja (V)
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: [email protected]

zmiana wartości skutecznej napięcia

Transkrypt

Podobne dokumenty

PST 72055 1/72 S-300 PMU

Linia: 16 - ZTM Poznań

Linia: 16 - ZTM Poznań

Nowe funkcje systemu fastGIS PST w wersji 8.0 - Fast

certyfikat - pg3.bialystok.pl

Proszę wygładzić podany szereg czasowy za pomocą a) 3 - E-SGH

Wygeneruj PDF do wydruku

NIEMCY – Hydraulik / monter instalacji sanitarnych

Lotnisko Frankfurt stawia na ARTS