JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ - PROCES ŁĄCZENIA BATERII

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

U _S

K L _S

L _B C

czas [ms]

napięcie [j.w.]

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

CN ZW

B S

B S

C

S I I

H L

L

F U C

Z

I _{max .} U 2 _.

) )(

(

) 2 (

2 =

= +

= µ

µ

U _S

K L _S

L _B

C

czas [ms]

napięcie [j.w.]

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

czas [ s] m

1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5

20 40 60 80 100 120

napięcie strony wtórnej transformatora [j.w.]

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

czas [ms]

napięcie [j.w.]

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

C L

L f

B

S )

( 2

1

= +

π

CN . ZW

S I

f I f =

300 - 600 Hz (900 Hz)

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 150

100 50 0 -50 -100 -150

150 100 50 0 -50 -100 -150

U [%] U [%]

czas [ms] czas [ms]

Umax = 110 – 160 % (200 %) Czas trwania: 0,5 – 3 okresów

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 150

100

50

0

-50

-100

-150

400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400

U [%] U [%]

(a) (b)

I [%]

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

U

Faza A Faza B Faza C

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

Łączenie pojedynczej baterii kondensatorów

‐12,2 kV

6,43 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.

Łączenie

pojedynczej baterii

kondensatorów

∼1,22 ms

∼820 Hz

Oscylacje tłumione wskazują na występowanie

częstotliwości rezonansowej ok. 820 Hz (16,4 f₁).

szyny średniego napięcia

inne odbiorniki

bateria kondensatorów C2 do kompensacji mocy biernej załączana bateria kondensatorów C1

480 V

Proces wzmacniania oscylacji

C1=3 MVAr C2 = 200 kVAr

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0

U [j.w.]

U [j.w.]

średnie napięcie

480 V

Proces wzmacniania oscylacji

0 100 200 300 400 500 600

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

moc transformatora 1,5 MVA moc dołączonej baterii 3 MVAr

moc baterii (C2) w kVAr

wartość napięcia na szynach nn

Proces wzmacniania oscylacji

0 100 200 300 400 500 600

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

moc transformatora 1,5 MVA moc dołączonej baterii 3 MVAr

moc baterii (C2) w kVAr filtr harmonicznej

w a rt oś ć na pi ęc ia n a sz yn ac h nn

bateria nn

Proces wzmacniania oscylacji

AutoPlant 138 kV N.O.

N.C.

N.C.

Feed2 138 kV Feed1 138 kV

T3 18 MVA

T4 18 MVA

Transmission System

2100 kvar 7200 volts (1200 kvar in service)

2100 kvar 7200 volts

Feeder 301 Loads

Feeder 401 Loads

12 kV 12 kV

36 MVAR 36 MVAR

TPS2L 2000 kVA

TPS6L 2000 kVA

TPS8L 5000 kVA 4160 volts 480 volts

480 volts

Other Load Substations

N.O.

10.0A

0.0A

-10.0A 950.0V

0.0V

-950.0V

1.43 ms/div

36.33ms 64.84ms

Waveshape Disturbance Model 7100

KUKA Cell 2 7/25 07/25/97 03:09:38.04 PM Three Phase Delta

1

10.0A

0.0A

-10.0A 900.0V

0.0V

-900.0V

1.18 ms/div

33.72ms 57.29ms

Waveshape Disturbance Model 7100

Chrysler Center Line 480 7/25 07/26/97 08:42:30.24 AM Three Phase Delta

3

Robot Cell Paint Line

Dołączanie kolejnej baterii

U

L

L

L

L

C

C

C

2 1

2 1

Σ = +

L L

L L L

2 1

Σ = C + C C

3 .

Σ + +

= L L L

L _zew

3 Σ

3 Σ

= +

C C

C

C C

) (

2 2 2

2 1

.

2 . 1

max

CN CN

zew

CN CN

S S

C S

I I

L

I I

U L

U C Z

I U

= +

=

= ω

f LC

π 2

= 1 1 – 8,5 kHz

Dołączanie kolejnej baterii

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 -2000

30

20

10

0

-10

-20

-30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

200 400 600 800 1000 1200

[A]I

I [kA]

(a) (b)

Dołączanie kolejnej baterii

U / I

I

napięcie

prąd załączanego kondensatora

chwila załączania kondensatora

Dołączanie kolejnej baterii

Dołączanie kolejnej baterii

Dołączanie kolejnej baterii

Dołączanie

kolejnej baterii

Event #79 at 2 012 -03-06 1 3:5 8:04 .33 0 Pre-tri gger

Event Details/Waveforms

13:58:04.33 2012-03-06 Tuesday

13:58:04.34 13:58:04.35 13:58:04.36 13 :58:04.37

-10000 -5000 0 5000 10000

Volts

A-B V B-C V C- A V

-500 -250 0 250 500

Amps

A I B I C I

Dołączanie kolejnej

baterii

Event #59 at 2 012 -03-05 1 0:0 6:45 .56 9 Pre-tri gger

Event Details/Waveforms

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 -10000

-5000 0 5000 10000

Volts

A-B V B-C V C- A V

-500 -250 0 250 500

Amps

A I B I C I

Dołączanie kolejnej

baterii

Szczególne warunki łączenia baterii:

· załączanie baterii wstępnie naładowanej

· zapłon łuku podczas procesu wyłączania baterii.

a a' L_s

U_s U_c

U_aa'

C_s C

a)

b)

current

Voltage

zero current

time

restiking time

t U_B

U_C

t₁ t₂

2|U_s|

2|U_s| 3

Restiking time

Voltage Current

Zero current

time

Sposoby redukcji przepięć i przetężeń:

- ochrona przecięciowa - szeregowa rezystancja

U [j.w.]

U [j.w.]

(a) (b)

1,5 1,0 0,5 0 -0,5 -1,0 -1,5

1,5 1,0 0,5 0 -0,5 -1,0 -1,5

Szeregowy dławik

0 20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100 100

75 50 25 0 -25 -50 -75 -100 -125

150

100

50

0

-50

-100

-150

150

100

50

0

-50

-100

400

300

200

100

0

-100

-200

-300

-400

300

200

100

0

-100

-200

-300

-400

300

200

100

0

-100

-200

-300

UA

U_B

U_C

IA

I_B

I_C

FAZA A

FAZA B

FAZA C

U

U

I

Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników

U I

Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników

U

U

I

Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników

Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników

Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników

0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 1000

500

0

-500

-1000

3000

2000

1000

0

-1000

400

200

0

-200 700

600

500

700

600

500 1000

500

0

-500

-1000 U_AB

[V]

I_A [A]

I_A [A]

U_dc [V]

U_dc [V]

U_AB [V]

(a) (b)

Awaryjne wyłączenia czułych odbiorników

Filtry pasywne

Łączenie synchroniczne

A B C U

możliwe chwile załączenia poszczególnych faz

Uziemiona

gwiazda

Chwile łączenia

Łączenie synchroniczne

chwila załączenia fazy C chwila załączenia faz i A B

U1 U2 U3

Nie uziemiona gwiazda

1 2 3

(t) faza 1 + 2

(t+5ms)

faza 3

u(t)

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

0 5 10 15 20 25 30

i(t) Uc0

u(t)

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

0 5 10 15 20 25 30

i(t)

UC0

a) b)

) t

sin(

U

u = _m ω + ϕ _u

t cos cos

I t sin sin

n U U n

nB )

t cos(

I ) t (

i

⎟⎟ ω

−

ϕ

ω

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ ϕ

− −

− ϕ + ω

=

1

2 0

ω

=

=

ω _n 1 / LC n

L C / X X

n =

Łączenie synchroniczne

Sieć zasilająca

Odbiornik _sterowania ^Układ

TSC

1 0

2 2

0 = ± −

= ϕ

n U n

U cos

m C

u

t cos cos

I t sin sin

n U U n

nB )

t cos(

I ) t (

i

⎟⎟ ω

−

ϕ

ω

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ ϕ

− −

− ϕ + ω

=

1

2 0

u

u

u

u

i

i

i u_c

u_c

u_c

u = u_c

t

t

t u_co

u_co

u_co

=u

< u

> u

moment załączenia

moment załączenia

moment załączenia

moment wyłączenia

moment wyłączenia

moment wyłączenia

(a)

(b)

(c)

Łączenie

synchroniczne

W3NA W33AN

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,71 I I

1,63 U 0,82 U

± 0,82 U

± 0,82 U

± 0,82 U

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,41 I 0,58 I

2,83 U 1,41 U

± 1,41 U

± 1,41 U

± 1,41 U

W33AA

T T

= —

T T

= —

T T

= 1 2

1 2

Thyristor switched capacitors (TSC)

W33YA

W33YA

W33YA

W33AY

W33AY

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,71 I I

1,93 U 1,12 U

± 1,12 U

± 0,82 U

± 0,30 U

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,71 I I

1,93 U 1,12 U

± 1,12 U

± 0,82 U

± 0,30 U

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,71 I I

3,35 U 1,12 U

± 1,12 U

± 0,82 U

± 0,30 U I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,71 I 0,58 I

1,93 U 1,93 U

± 1,93 U

± 0,52 U

± 1,41 U I =

I = U = U = U =

T C T c dc

0,71 I 0,58 I

1,93 U 1,93 U

± 1,93 U

± 0,52 U

± 1,41 U

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,71 I 0,58 I

3,35 U 1,93 U

± 1,93 U

± 0,52 U

± 1,41 U

W33AD

W33AD

W32AD

W32DA W32AY

T T_on = —

T Ton = — T Toff = —

T Toff = — Trec = — T

T_rec = — T 5 12

7 12

5 12

7 12

21 12

21 12

T T_on = —

T T_off = —

T_rec = — T 7 12

7 12

2112

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,41 I I

3,35 U 1,12 U

± 1,12 U

± 0,82 U

± 0,30 U

I = I = U = U = U =

T C T c dc

0,82 I I

3,35 U 1,12 U

± 1,12 U

± 0,82 U

± 0,30 U

W33DA U33DA

T T

= — T T

= —

T T

= — T T

= —

T T

= — T

= —

5 12

7 12 1

2

7 12 21

12

Thyristor switched capacitors (TSC)

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