|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
Najczęściej stosowanymi urządzeniami do kompensacji mocy biernej indukcyjnej w instalacjach przemysłowych są baterie kondensatorów z szeregowymi dławikami ochronnymi. W zależności od technicznych parametrów kondensatorów oraz dławików, baterie takie tworzą filtry dolnoprzepustowe o różnych charakterystykach częstotliwościowych.
Odpowiedni dobór częstotliwości rezonansowej filtru dolnoprzepustowego do warunków jego pracy w zakładzie przemysłowym, zapewnia poprawne i bezpieczne kompensowanie współczynnika mocy przez baterię kondensatorów. W wielu instalacjach przemysłowych znaczny poziom odkształcenia napięcia oraz duża szybkość zmian mocy czynnej i biernej - wyklucza możliwość zastosowania baterii kondensatorów do kompensacji mocy przesunięcia fazowego. Wiele omawianych w literaturze przypadków awarii baterii wynika zarówno ze złego wykonania jak i z powodu przeciążenia wyższymi harmonicznymi o wartościach wyższych niż tolerowane przez baterie. W takich przypadkach baterie nie mogą pracować jako samodzielne urządzenia. Konieczne jest zastosowanie dodatkowych filtrów wyższych harmonicznych. Bateria załączana jest do pracy dopiero po uruchomieniu filtru.
Dobór odpowiedniego układu kompensacji mocy biernej poprzedzają szczegółowe pomiary jakości energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej obiektu. Rejestracja parametrów elektrycznych powinna odbywać się przez odpowiednio długi czas i uwzględniać różne stany obciążenia badanego układu zasilania, a także uwzględniać zjawiska zachodzące w sieci dostawcy energii. W dalszej części artykułu zostaną przedstawione efekty pracy dwóch układów kompensacji mocy biernej, zainstalowanych w dwóch różnych obiektach przemysłowych. Przykładem instalacji - w której zdecydowano się na inny układ kompensacji mocy biernej niż oparty wyłącznie na bateriach kondensatorów - jest układ zasilania kilkuset zgrzewarek. Głównymi odbiornikami zainstalowanymi w obiekcie są zgrzewarki dużej mocy oraz inne odbiorniki nieliniowe, głównie urządzenia napędowe i energoelektroniczne. Praca tych odbiorników wpływa negatywnie na jakość napięcia zasilającego, powodując wzrost odkształcenia napięcia oraz duże wahania napięcia, o czym świadczy zarejestrowana wartość współczynnika odkształcenia napięcia THDu (rys. 1) oraz wskaźnika długotrwałego migotania światła Plt (rys. 2).
Rys. 1. Wartość współczynnika odkształcenia THD w napięciu: 1 - bez filtrów pasywnych, 2 - po włączeniu filtrów pasywnych
Rys. 2. Wartość współczynnika migotania światła Pif. 1 - bez włączonego kompensatora aktywnego, 2 - po włączeniu kompensatora aktywnego
Pierwotnie w fabryce zastosowano kompensację lokalną, która polegała na regulowaniu współczynnika mocy - po stronie niskiego napięcia - przez baterie kondensatorów z dławikami ochronnymi dla każdego z jedenastu transformatorów SN/nN (rys. 3). Częste awarie baterii kondensatorów, uciążliwe migotanie światła oraz brak możliwości dokładnego skompensowania mocy przesunięcia fazowego przesądziły o zainwestowaniu w nowy system sterowania mocą bierną.
Rys. 3. Schemat ideowy układu kompensacji mocy biernej przed zmianami: Zg - zgrzewarki, ONL - odbiorniki nieliniowe, BK - baterie kondensatorów z dławikami ochronnymi, SEE - system elektroenergetyczny
Rys. 4. Schemat ideowy układu kompensacji mocy biernej po zmianach: Zg - zgrzewarki, ONL - odbiorniki nieliniowe, FPnN - filtr pasywny niskiego napięcia, BK - baterie kondensatorów z dławikami ochronnymi, KA - kompensator aktywny, FPSN - filtr pasywny średniego napięcia, SEE - system elektroenergetyczny
Rys. 5. Wartość współczynnika strat K-factor: 1 - bez filtrów pasywnych, 2 - po włączeniu filtrów pasywnych
Rys. 6. Wartość mocy czynnej i biernej zarejestrowana w fabryce: 1 - bez układu kompensacji, 2 - po włączeniu nowego układu kompensacji
W nowo zaprojektowanym i zrealizowanym (przez INTER-CONSULTING Wydział Elektroenergetyki) układzie kompensacji mocy biernej połączono zalety kompensacji centralnej i indywidulanej, statycznej oraz dynamicznej, jak również zastosowano urządzenia kompensujące moc przesunięcia fazowego oraz moc dystorsji. W skład nowej instalacji, poza bateriami kondensatorów (o zmienionej charakterystyce częstotliwościowej), wchodzą filtry pasywne oraz kompensator aktywny. Wszystkie wyżej wymienione urządzenia sterowane są z centralnego punktu systemu, którego układ pomiarowy w postaci analizatora i rejestratora jakości energii elektrycznej znajduje się w głównym punkcie rozliczeniowym energii elektrycznej.
Filtry pasywne kompensują moc bierną indukcyjną oraz dominujące w instalacji wyższe harmoniczne prądu, głównie 5. i 7. Zmniejszają również straty mocy czynnej w transformatorach, powstające w wyniku przepływu składowej biernej prądu oraz składowej odkształcenia. Straty mocy czynnej spowodowane przepływem odkształconego prądu przez transformatory SN/nN spadły czterokrotnie, o czym świadczy wartość zarejestrowanego współczynnika wzrostu strat w transformatorach (K-factor) przed i po włączeniu układu kompensacji mocy biernej. Ponadto, poprawiając jakość napięcia zasilającego, filtry pasywne umożliwiają bezpieczną pracę innych urządzeń zasilanych tym napięciem, w tym również baterii kondensatorów z dławikami ochronnymi. Ze względu na to, iż filtry pasywne kompensują również składową przesunięcia fazowego, moc baterii kondensatorów została zmniejszona kilkukrotnie w porównaniu z instalacjami bez filtrów.
Poza bateriami kondensatorów i filtrami pasywnymi w skład instalacji wchodzi kompensator aktywny, którego zadaniem jest kompensacja mocy biernej zgrzewarek. Odbiorniki te pobierają moc bierną w bardzo krótkich odcinkach czasu oraz niesymetrycznie w poszczególnych fazach. Bateria kondensatorów, w której regulacja polega na załączaniu i wyłączaniu kondensatorów mocy przez styczniki nie jest w stanie zareagować na tak szybką zmianę mocy. Zaletą kompensatora aktywnego - wykorzystującego falownik tranzystorowy IGBT - jest brak łączników elektromechanicznych oraz wystarczająco szybki czas reakcji na zmiany obciążenia.
Drugim z omawianych rozwiązań jest układ przeznaczony do kompensacji mocy biernej, pobieranej przez układ napędowy maszyny wyciągowej w kopalni węgla kamiennego. Na rys. 7 przedstawiono schemat blokowy omawianego układu, zasilanego z sieci SN 6 kV. Tyrystorowy przekształtnik 12-pulsowy (Thl, Th2) jest zasilany za pośrednictwem transformatora Tr2 o grupie połączeń Dd0y5, natomiast kompensator aktywny KA jest dołączony do sieci średniego napięcia za pośrednictwem transformatora Tri o grupie połączeń Dy5. Zadaniem kompensatora aktywnego KA i pasywnego KP jest utrzymanie zerowej mocy biernej pobieranej z sieci zasilającej, której głównym obciążeniem jest układ przekształtnik 12T - silnik prądu stałego o mocy 2,4 MW. W kompensatorze aktywnym zostały zastosowane dwa dwupoziomowe falowniki z modułami FF1400R12KIE4.
Rys. 7. Schemat blokowy układu napędowego z kompensatorem aktywnym
Przedstawione na rys. 7 wartości wektorowe są zdefiniowane poniższymi wzorami:
us = [us1, us2, us3]T
u = [u1, u2, u3]T
is = [is1, is2, is3]T
io = [io1, io2, io3]T
i1 = [i1A, i1B, i1C]T
ips = [ips1, ips2, ips3]T
i = [i1, i2, i3]T
Przed instalacją kompensatora wykonano badania symulacyjne układu napędowego, aby wstępnie sprawdzić efektywność układu kompensacji. Na rys. 8 i 9 są przedstawione przykładowe wyniki symulacji, ilustrujące przebiegi prądów i napięć w układzie napędowym oraz prędkości obrotowej silnika. Wartości prądów i napięć zostały odniesione do napięć na zaciskach (A, B, C) kompensatora aktywnego KA.
Rys. 8. Przebiegi prądów is1, io1, i1A, napięcia u12, prędkości kątowej ωo, mocy biernych Qo1, Qps1, Q1A oraz Qs1 dla stałej wartości prądu twornika itw.
Rys. 9. Przebiegi prądów is1, io1, i1A, ips1, napięć u12, up, prędkości kątowej ωo, mocy biernych Qo1, Qps1, Q1A orazQs1 dla stałej wartości prądu twornika itw.
W celu weryfikacji poprawności zastosowanego algorytmu przeprowadzono badania kompensatora aktywnego FA3-850k-400 wyprodukowanego w firmie MEDCOM. Parametry znamionowe obcowzbudnego silnika prądu stałego mają wartości: Pn = 2400 kW, Utwn = 650 V, Itwn = 4000 A, nn = 90 obr/min, napięcie wzbudzenia 220/110 V, prąd wzbudzenia 75/150 A. Poniżej przedstawiono przykładowe oscylogramy wykonane w układzie z kompensatorem aktywnym, kompensującym sumaryczną moc bierną przesunięcia baterii kondensatorów i przekształtnika tyrystorowego zasilającego maszynę wyciągową. Wykonane w kopalni oscylogramy zawierają przebiegi napięć oraz prądów odniesionych do strony nN transformatora is1 , sumy prądów baterii kondensatorów i obciążenia odniesionej do strony nN transformatora i1 oraz prądu kompensatora i1A.
Oscylogramy zostały wykonane dla następujących przypadków:
Rys. 10. Oscylogram napięcia uAN (CH1:500 V/dz), prądu sieci i's1 (CH2:6 kA/dz), sumy prądów baterii kondensatorów i obciążenia i'1 (CH3:6 kA/dz) oraz prądu kompensatora i1A (CH4:6 kA/dz).
Rys. 11. Oscylogram napięcia uAN (CH1:500 V/dz), prądu sieci i's1 (CH2:6 kA/dz), sumy prądów baterii kondensatorów i obciążenia i'1 (CH3:6 kA/dz) oraz prądu kompensatora i1A (CH4:6 kA/dz).
Rys. 12. Oscylogram napięcia uAN (CH1:500 V/dz), prądu sieci i's1 (CH2:6 kA/dz), sumy prądów baterii kondensatorów i obciążenia i'1 (CH3:6 kA/dz) oraz prądu kompensatora i1A (CH4:6 kA/dz).
Rys. 13. Oscylogram napięcia uAN (CH1:500 V/dz), prądu sieci i's1 (CH2:6 kA/dz), sumy prądów baterii kondensatorów i obciążenia i'1 (CH3:6 kA/dz) oraz prądu kompensatora i1A (CH4:6 kA/dz).
Wyniki badań symulacyjnych i eksperymentalnych pokazują dobre właściwości dynamiczne kompensatora aktywnego. Cecha ta pozwała na utrzymanie współczynnika mocy (DPF) bliskiego jedności zarówno w ustalonym stanie pracy maszyny wyciągowej, jak i w stanach zmiany prędkości kątowej maszyny, która wiąże się ze zmianą mocy biernej pobieranej przez przekształtnik. Zastosowanie układu hybrydowego pozwoliło na minimalizację mocy kompensatora przy jednoczesnym zapobieżeniu stanów przekompensowania sieci przy dynamicznie zmieniającym się obciążeniu.
Autorzy:
mgr inż. Tomasz Biernacik - Inter-Consulting Wydział Elektroenergetyki Warszawa,
dr inż. Andrzej Baranecki, mgr inż. Paweł Cichomski - MEDCOM Sp. z o.o., Warszawa,
dr inż. Tadeusz Płatek - Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej (tomasz.hiernacik@icpower.pl)
LITERATURA:
[1] Hongliang L., Yupeng T.: Research on a hybrid system for dynamie reactive power and harmonie compensation. Intelligent Control and Automation, 7 th World Con- gress 2008
[2] Chen Z., Blaabjerg F., Pedersen J.K.: Harmonie resonance damping with a hybrid compensation system in power Systems with dispersed generation. Power Electronics Specialists Conference, 2004. PESC, 04. 2004 IEEE 35th Annual vol. 4
[3] Świątek B., Klempka R., Kosiorowski S.: Minimization of the source current di- stortion in Systems with single-phase active power filters and additional passive filier designed by genetic algorithms. 1 lth European Conference on Power Electronics and Applications. EPE 2005, Dresden 2005
[4] Adrikowski T., Buła D., Pasko M.: Współpraca energetycznego filtru aktywnego z filtrem hybrydowym w przypadku symetrii obciążenia. Przegląd Elektrotechniczny 2011 nr 5
[5] Pasko M., Buła D.: Hybrydowy energetyczny filtr aktywny w układzie z filtrem pasywnym dla jednej harmonicznej. Przegląd Elektrotechniczny 2010 nr 3
[6] Ben-Sheng C., Yuan-Yih H.: A minimal harmonie controller for a STATCOM. IEEE Trans. Ind. Electron. 2008 No 2
[7] Strzelecki R., Supronowdcz H.: Współczynnik mocy w systemach zasilania prądu przemiennego i metody jego poprawy. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
W jednym miejscu jest literówka 1GBT a powinno być IGBT :)