1

ΕΥΕΛΙΚΤΑΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑΣΥΣΤΗΜΑΤΑΜΕΤΑΦΟΡΑΣΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

ΗΜΥΗΜΥ 449999

ΠΟΙΟΤΗΤΑΠΟΙΟΤΗΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣΙΣΧΥΟΣ~~

ΕΙΔΙΚΕΣΕΙΔΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣΣΥΣΚΕΥΕΣ ΙΣΧΥΟΣΙΣΧΥΟΣ(Custom Power Devices)(Custom Power Devices)

Δρ Ανδρέας Σταύρου

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Τα Θέματα

Αιτίες προβλημάτων ΠοιότηταςΑνασκόπηση ανωμαλιώνΜεταβατική, βραχύχρονη διακύμανση τάσηςΣχέσεις στην αρμονική παραμόρφωσηΠρότυπα

ΠΟΙΟΤΗΤΑΠΟΙΟΤΗΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣΙΣΧΥΟΣ

2

Αιτίες προβλημάτων ποιότητας

Βλάβες ή πτώση κεραυνών σε γραμμές μεταφοράς ήδιανομήςΠτώση δέντρων ή κλαδιών και άλλων αντικειμένωνσε περιόδους ανώμαλου καιρούΥποχώρηση εξοπλισμούΕνεργοποίηση μετασχηματιστών, πυκνωτών ήάπ/ενεργοποίηση τροφοδοτικών αναχωρήσεωνΦορτία ηλεκτρονικών ισχύος όπως συστήματααδιάλειπτου παροχής ισχύος (UPS), ελεγχόμενοικινητήρες (ASD), κάμινοι τόξου, επαγωγικάσυστήματα θέρμανσης, άπ/ενεργοποίηση μεγάλωνφορτίων

Ανασκόπηση ανωμαλιών

Διακοπή-Interruption Βύθιση - Sag Φούσκωμα - Swell

Υπόταση-Undervoltage

Υπέρταση-Overvoltage

Παραμόρφωση Κυματομορφής- Waveform distortion:

ΣκαμπανεβάσματαΤάσης-Voltagefluctuations

Μετάθεση DC-DC offset

ΑνωμαλίεςΣυχνότητας-Frequencyvariations

Θόρυβος -NoiseΑρμονικές- Harmonics Αιχμές- Notching

3

ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΑΙΤΙΕΣ

Κάμινοι τόξου, ΛαμπτήρεςΣυχνότητα παρουσίαςΑναλαμπή τάσης

Ημιανόρθωση, γεωμαγνητική επίδρασηΤάση, ρεύμαΜετατόπιση

Μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύοςΦάσμα συχνοτήτων, THD

Αιχμές

Ελεγχόμενοι κινητήρες, άλλα μη γραμμικάφορτία

Φάσμα συχνοτήτων, THD

ΑρμονικέςΠαραμόρφωσηκυματομορφής

Μονοφασικά φορτία, βλάβη που οδηγεί σεμονοφασική κατάσταση

Συμμετρικέςσυνιστώσες

Ασύμμετρη τάση

βλάβεςδιάρκειαδιακοπή

απενεργοποίηση φορτίων, ενεργοποίησηπυκνωτών

πλάτος, διάρκειαυπέρταση

Ενεργοποίηση φορτίων, απενεργοποίησηπυκνωτών

πλάτος, διάρκειαυπότασηΧρονικά μακράδιακύμανση τάσης

αυτοαναιρούμενα σφάλματαδιάρκειασύντομη διακοπή

μονοφασικά σφάλματα προς τη γη, είδημετασχηματιστών

πλάτος, διάρκειαφούσκωμα

μονοφασικά σφάλματα προς τη γη, είδημετασχηματιστών

πλάτος, διάρκειαΒύθισηΒραχύχρονη διακύμανσητάσης

διακοπή ή κλείσιμο γραμμής, πυκνωτή, φορτίου

μέτρο πλάτους, συνιστώσες συχνότητες

κυματικό

κεραυνός, ενεργοποίηση μετασχηματιστή ήπυκνωτή

μέτρο πλάτους, χρόνοςανύψωσης, διάρκεια

ωστικόΜεταβατικό

Τυπική αιτίαΜέθοδοςχαρακτηρισμού

Ειδικές ΚατηγορίεςΓενικές Κατηγορίες

Ωστικό μεταβατικό φαινόμενο(Impulsive Transient )Αιτίες: χτύπημα κεραυνού, χειρισμός γιαενεργοποίηση μετασχηματιστή ή πυκνωτήΈνα ωστικό μεταβατικό φαινόμενο έχειαρνητική ή θετική πολικότηταΧαρακτηρίζεται από το χρόνο ανύψωσης (risetime)και το χρόνο εξασθένησης (decay time) - πουείναι ο χρόνος για να πέσει στο μισό τηςμέγιστης τιμήςΜαθηματικά μπορεί να περιγραφεί:

( )tt eeAtI βα −− −=)(

4

Μοντέλο Κεραυνού σαν ωστικόμεταβατικό φαινόμενο

Συμβολίζεται με 1.2/50 μs και σημαίνει ότι έχει:χρόνο ανύψωσης (rise time)=1.2μs χρόνοεξασθένησης (decay time)=50μs

0 1 10 5−× 2 10 5−× 3 10 5−× 4 10 5−× 5 10 5−× 6 10 5−×8− 105×

6.667− 105×

5.333− 105×

4− 105×

2.667− 105×

1.333− 105×

0

Ij

tj

Μεταβατική διακύμανση τάσηςΩστικήτάση απόκεραυνό

Τάση στους ζυγούς όταν ο πυκνωτήςδεν είναι συνδεδεμένος

Τάση στους ζυγούς όταν οπυκνωτής είναι συνδεδεμένος

5

Βραχύχρονη διακύμανση τάσηςΔιακύμανση λιγότερη του 1 λεπτού

Κανονική τάση

ΒύθισηΔιακοπήΦούσκωμα

Time(HH:mm:ss:uuu)

07:12:18:433 07:12:18:633 07:12:18:833

Volta

ge R

MS (

V )

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Cur

rent

RM

S (

A )

556065707580859095100105110115120125130135

Βύθιση στη ΜΤ κατά τη διάρκεια βλάβης σεγραμμή μεταφοράς

Time(HH:mm:ss:uuu)

07:06:52:051 07:06:52:451 07:06:52:851

Volta

ge R

MS

( V )

11000

11100

11200

11300

11400

11500

11600

Cur

rent

RM

S ( A

)

124

126

128

130

132

134

136

Βύθιση κατά τη διάρκεια βλάβης μέσης τάσης

Βύθιση (sag) συμβαίνει όταν η rms τάσησε οποιαδήποτε φάση πέσει κάτω απότο 75% της ονομαστικής της τιμής. Βύθιση κάτω του 10% της ονομαστικήςτης τιμής θεωρείται διακοπή

Μετρήσεις βυθίσεων

ΜέτρησηΜέτρηση βυθίσεωνβυθίσεων μεμε τοντον Detroit Edison sag scoreDetroit Edison sag score::

ΜέτρησηΜέτρηση βυθίσεωνβυθίσεων μεμε τηντην ενέργειαενέργεια βύθισηςβύθισης::

ΔείκτηςΔείκτης απώλειαςαπώλειας ενέργειαςενέργειας Voltage Sag Lost Energy IndexVoltage Sag Lost Energy Index((VSLEI)VSLEI)::

Έχουν προταθεί αρκετές μέθοδοι για τον υπολογισμό δεικτών βύθισης:

δεν λαμβάνει υπόψη του τη διάρκεια, έτσι δενμπορεί να καταδείξει τη ζημιά στα φορτία

Ο δείκτης δίνει την απωλεσθήσα ενέργεια στη διάρκεια βύθισης σαν

V – τάση κατά τη βύθισηT- διάρκεια

V/Vnom- p.u. φασική τάση κατά τη διάρκεια της βύθισηςT- διάρκεια σε msΤο 3.14 προέρχεται από την εφαρμογή ελάχιστων τετραγώνων στηνκαμπύλη SBEMA

ΟΟ δείκτηςδείκτης γιαγια τριφασικήτριφασική βύθισηβύθιση::

6

ΠαράδειγμαΥπολογίστε τον Δείκτη απώλειας ενέργειας (VSLEI)

Διακοπές από τη προστασίασυστήματος διανομής

ΑσφάλειεςΚαμπύλες λειτουργίας

Διακόπτες αυτόματης επαναφοράς (autoreclosers)

Γρήγορα και αργά επανακλεισίματα

7

Ικανότητα εξοπλισμού σε βυθίσειςΓια διαστήματα πέραν του δευτερολέπτου,εξοπλισμός που είναικατασκευασμένος σύμφωνα με την καμπύλη CBEMA-μπορεί να αντέξει μέχρι106% υπέρταση και 87% υπόταση

Καμπύλη CBEMA (Computer and Business Equipment Manufacturers Association)

Αργότερα έχει αντικατασταθεί από τιςκαμπύλες ITI ( Information Technology Industry Council, ITI)

Μέρος της καμπύλης έχειπεριληφθεί στο πρότυπο IEEE 446

Ικανότητα εξοπλισμού σε βυθίσεις

Τυπικές καμπύλες ικανότητας αντοχής εξοπλισμού σε βυθίσεις

8

Ανωμαλίες τάσης σε εργοστάσιοεπεξεργασίας μετάλλων

100

200

11kV

10kV

9kV

300

9.15kV

277 A

cosφ=0.25

Δείκτες αξιοπιστίας συστημάτωνδιανομής

Για 8760 ώρεςοι ετήσιοι στόχοι είναιSAIFISAIFI 1.01.0SAIDISAIDI 1.01.0--1.5h1.5hCAIDICAIDI 1.01.0--1.5h1.5hASAIASAI 0.999830.99983

(αρ. πελατών που διακόπηκαν )Χ(αρ. διακοπών) συνολικός αρ. πελατών

SAIFI=

SAIFI: SAIFI: System average interruption frequency indexSystem average interruption frequency index

SAIDI: SAIDI: System average interruption duration indexSystem average interruption duration index

ΣΣ(αρ. πελατών που επηρεάστηκαν )Χ( διάρκεια διακοπής) συνολικός αρ. πελατώνSAIDI=

CAIFI: CAIFI: CustomerCustomer averageaverage interruptioninterruption frequencyfrequency indexindexΣυνολικός αριθμός διακοπών πελατώνσυνολικός αρ. πελατών που επηρεάστηκανCAIFI=

CAIDI: CAIDI: CustomerCustomer averageaverage interruptioninterruption durationduration indexindexΣΣ(Διάρκεια διακοπών πελατών) Συνολικός αριθμός διακοπών πελατώνCAIDI=

ASAI: ASAI: Average system availability indexAverage system availability indexπελατο – ώρες διαθέσιμης υπηρεσίας

πελατο – ώρες απαιτούμενης υπηρεσίαςASAI=

9

Γραμμικό φορτίο- Μη γραμμικόφορτίο

Αρμονικές Συνιστώσες

∫

∫

∑∑

=

=

++=+=∞

=

∞

=

π

π

ωωπ

ωωπ

ωω

2

0

2

0

10

10

)()sin()(1

)()cos()(1

)sin()cos(21)()(

tdthtfb

tdthtfa

thbthaatfFtf

h

h

hh

hh

h

∫∫ ===T

dttfT

tdtfaF0

2

000 )(1)()(21

21 π

ωπ

h

hh

hhh

jhhhhh

abba

F

eFthbthatf h

)(tan,2

F)sin()cos()(22 −

=+

=

=⇒+=

ϕ

ωω ϕ

h=0,…….∞

h=1,…… ∞

∑∞

=

+=1

220

hh

rms FFF

Να θυμηθούμε την ανάλυση σε σειρά Fourier περιοδικής συνάρτησης

10

Σχέσεις στην Αρμονικήπαραμόρφωση

∑

∑

≠

≠

=−=

=−=

1

221

2

11 )()()()(

hshss

rmsdis

hshssdis

IIII

titititi

1

21

2

1

100100%s

ss

s

dis

III

IITHD

−==

∑∫≠

+==1

221

0

2

1

1

)(1h

shs

T

srmss IIdtti

TI

Έννοιες ισχύος κατά τηνπαραμόρφωση

11111101

01

0 11

cos)sin(2)sin(21

)()(1)(1

1

11

ϕϕωω ssss

T

T

ss

T

IVdttItVT

P

dttitvT

dttpT

P

=−⋅=

⋅==

∫

∫∫

DPFTHD

PF

DPFIIPF

s

s

2

1

100%1

1

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

=

Συντελεστής ισχύος

Συντελεστής μετατόπισης(Displacement power Factor)

1111 coscos ϕϕ

s

s

ss

ss

II

IVIV

SPPF ===

11

Οι αρμονικές συνιστώσες μειώνουντο συντελεστή ισχύος

Επιπτώσεις αρμονικών ρεύματος

Απώλειες ισχύος στο δίκτυο (γραμμέςμεταφοράς - διανομής, μετασχηματιστές, γεννήτριες)Υπερφόρτωση πυκνωτών αντιστάθμισης μεπιθανά φαινόμενα συντονισμούΕπηρεασμός της κυματομορφής τάσηςδικτύου η οποία με τη σειρά της θα επηρεάσειάλλα φορτία

12

Οι οδηγίες ορίζουν ευθύνες στουςκαταναλωτές και στις εταιρείες δικτύουΟι χρήστες ενέργειας θα πρέπει να έχουν όριοστην παραμόρφωση του ρεύματος πουαντλούνΟι εταιρείες δικτύου θα πρέπει να διατηρούντα μέγιστα επιτρεπτά όρια παραμόρφωσηςτης τάσης.

Όρια αρμονικών

(Λόγος βραχυκύκλωσης)

Όρια αρμονικών

Διεθνής Ηλεκτροτεχνική επιτροπή IECΠρότυπο του ινστιτούτου ηλεκτρολόγωνκαι ηλεκτρονικών μηχανικών IEEEΚανόνες Μεταφοράς Διανομής

Όρια αρμονικών ρεύματοςTHD%

13

Όρια αρμονικών

Όρια αρμονικών ρεύματος για ηλεκτρονικούς υπολογιστές και άλλοεξοπλισμό γραφείου (class A) στο Πρότυπο IEC 1000-3-2

Όρια αρμονικών τάσης στο Πρότυπο IEΕΕ 519

Πρότυπα ποιότητας ισχύος

IEC 61000-4-15:1997Αναλαμπές τάσης

IEC 61000-2-1:1990, IEC 61000-4-7:1991IEEE 519:1992

Αρμονικές

IEC 61009-2-1:1990, IEEE 1159:1995Βύθιση, φούσκωματάσης, διακοπή

IEC 61000-2-1:1990, IEC 816:1984IEEE c62.41:1991 IEEE 1159:1995

Μεταβατικά φαινόμενα

IEC 61000-2-5:1995, IEC 61000-2-1:1990IEEE 1159:1995

Κατηγοριοποίησηποιότητας ισχύος

ΠρότυπαΦαινόμενα

14

ΕΥΕΛΙΚΤΑΕΥΕΛΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑΣΥΣΤΗΜΑΤΑΜΕΤΑΦΟΡΑΣΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

ΗΜΥΗΜΥ 449999

ΕΙΔΙΚΕΣΕΙΔΙΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣΣΥΣΚΕΥΕΣ ΙΣΧΥΟΣΙΣΧΥΟΣ(Custom Power Devices)(Custom Power Devices)

Δρ Ανδρέας Σταύρου

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Τα Θέματα

Είδη ειδικών συσκευών ισχύοςΣτατική συσκευή περιορισμού ρεύματοςStatic Current Limiter (SCL)Στατικοί διακόπτες ισχύος, Static Circuit Breaker(SCB)Στατικοί διακόπτες μεταφοράς πηγής ισχύος, Static Transfer Switch (STS) Ενεργά φίλτρα (Active Filters)

15

Είδη ειδικών συσκευών ισχύοςΟι ειδικές συσκευές ισχύος είναι δύο ειδών: αυτές πουχρησιμοποιούνται για απομόνωση και προστασία και αυτές πουχρησιμοποιούνται για αντιστάθμηση.Τύποι αναδιάταξης δικτύου:

Στατική συσκευή περιορισμού ρεύματος Static Current Limiter (SCL)Στατικοί διακόπτες ισχύος, Static Circuit Breaker(SCB)Στατικοί διακόπτες μεταφοράς πηγής ισχύος, Static Transfer Switch (STS)

Τύπου αντιστάθμισης:Ενεργά φίλτρα (Active Filters)Στατικός αντισταθμιστής άεργου ισχύος διανομήςDSTATCOMΔυναμικός αποκαταστάτης τάσης, DVRΕνοποιημένος ρυθμιστής ποιότητας ισχύος, UPQC

Στατική συσκευή περιορισμούρεύματος Static Current Limiter (SCL)

Περιορίζει το ρεύμα κατά τη διάρκεια σφαλμάτων με τη γρήγορη προσθήκηπηνίου σε σειρά με τη διαδρομή του σφάλματος

Το ρεύμα iz χωρίς SCL

16

Εφαρμογή Static Current Limiter (SCL)

Στατικοί διακόπτες ισχύοςStatic Circuit Breakers (SCB)

Ανοίγει το κύκλωμα σε περίπτωση βλάβης πολύ πιο γρήγορα από τουςμηχανικούς διακόπτες.

Thyristors

• Σε κανονική λειτουργία το ρεύμα περνάαπό τα GTOs

• Όταν διαπιστωθεί βλάβησυμπεριφέρνονται σαν διακόπτεςαυτόματης επαναφοράς σε διάστημαπεριόδου

• Σε περίπτωση μόνιμης βλάβης τα GTO σταματούν να άγουν και τα Thyristorάγουν οπόταν το ρεύμα ρέει μέσω τουπηνίου.

• Το ρεύμα διακόπτεται τελικάδιακόπτοντας τα Thyristor

17

Στατικοί διακόπτες μεταφοράςπηγής ισχύος

•Συνήθης τάση στα 5, 15, 25 & 34.5 kV•Ισχύς μέχρι 20,000 kVA / 16,000 kW

Στοιχείο 250 kW

Συστήματα Μεταφοράς Πηγής

•Μηχανικά και ηλεκτρομηχανικά–Λιγότερο των 3 sec–Λιγότερο των 2 κύκλων

•Ηλεκτρονικών Ισχύος–2-4 msec (1/4 κύκλου)

Στατικοί διακόπτες μεταφοράςπηγής ισχύος Solid State Transfer Switches (SSTS)

Είναι εγκατεστημένοι σε ζυγούς που τροφοδοτούν ευαίσθητο φορτίο από δύοδιαφορετικές αναχωρήσεις διανομής. Προστατεύει το φορτίο σε περίπτωσηβλάβης μεταφέροντας την τροφοδοσία του από την αναχώρηση με βλάβη στηνυγιή αναχώρηση

Προτιμητέα πηγή Εναλλακτική πηγή

li

li

Για βυθίσεις η διακοπτική διαδικασία είναι «Make before break»

18

Ενεργά φίλτραΤα ενεργά φίλτρα έχουν αναπτυχθεί για να καλύψουν ταμειονεκτήματα των παθητικών φίλτρων:

Η αποτελεσματικότητα τους μειώνεται όσο μειώνεται ηεμπέδηση συστήματος τροφοδοσίαςΒασίζονται στην ακρίβεια των παραμέτρων L,C καιεπηρεάζονται από τη συχνότητα του δικτύουΥπερφορτώνονται από αρμονικές που παρήχθησαν κάπουαλλού στο δίκτυο, είναι επιρρεπή σε συντονισμό με το δίκτυοΧρειάζονται επισταμένη μελέτη στο σχεδιασμό.

Βασίζονται σε μετατροπείς πηγής τάσης (Voltage Source Converters)Οι αρχές λειτουργίας τέτοιων φίλτρων προτάθηκαν πριν 30 χρόνια αλλά οι τελευταίες εξελίξεις στην τεχνολογία τωνημιαγωγών (IGBTs, IGCTs) και των κυκλωμάτων ελέγχουέκαναν εφικτή την εφαρμογή τους.

Εγκάρσιο ενεργό φίλτροShunt active filter

FSFres CLL

f)(

121

+=

π

dtdiLGGi Sh

SAFhAFAh =⋅−= υ

Το χρησιμοποιούμε από μόνο του ηπαράλληλα με παθητικό φίλτρο γιακαταστολή του συντονισμού

Ισοδύναμο κύκλωμα χωρίς ενεργό φίλτρο

Το παθητικό φίλτρο σχηματίζει με την αυτεπαγωγή του συστήματος συντονισμόστη συχνότητα

Εάν το ενεργό φίλτρο παράγει ρεύμα:

Τότε η αγωγιμότητα του στην συγκεκριμένησυχνότητα θα καταστείλει τον συντονισμό

19

Ενεργό φίλτρο σειράςSeries active filter

ShAF ik ⋅=υ

Τα ενεργά φίλτρα σειράςσυνδέονται σε σειρά με τοδίκτυο με τη χρήσημετασχηματιστή.

Εάν το φορτίο παράγει αρμονικές τάσης τότε εγχέει τάση για να μπλοκάρει τημεταφορά τους στο σύστημα. Οι αρμονικές που υπάρχουν στο σύστημα επίσηςεμποδίζονται να φθάσουν στο φορτίο. Το ενεργό φίλτρο σειράς ενεργεί σαναπομονωτής και σαν καταστολέας συντονισμού.

Συνήθως ο έλεγχος γίνεται σαν iSh-αρμονικό ρεύμα γραμμής

Το ενεργό φίλτρο σειράς για τις αρμονικές συχνότητες εμφανίζεται σαν μεγάληαντίσταση

Υβριδικά ενεργά φίλτρα

ShAF ik ⋅=υ

Hybrid active filters

Ενεργό φίλτρο σειράς με εγκάρσιοπαθητικό φίλτρο Ενεργό φίλτρο σειράς σε σειρά με

εγκάρσιο παθητικό φίλτρο

Ο έλεγχος βασίζεται στην ανίχνευση αρμονικού ρεύματος και έγχυση τάσης

Ισοδύναμο κύκλωμα ενεργού φίλτρου σειράς σε σειρά με εγκάρσιο παθητικό φίλτρο

επιλέγουμε FhSh ZZk +>>