10 Statyczne kompensatory mocy biernej (2)

Statyczne kompensatory

mocy biernej

2 / 30

Statyczne kompensatory mocy biernej

Kompensatory statyczne

(SVC – Static Var Compensator) stosuje się w

przypadku szybkich zmian mocy biernej. Są to układy zawierające dławiki
lub/i kondensatory sterowane tyrystorowo i włączane do węzła SE. Można
je więc traktować jako regulowaną równoległą susceptancję.

W praktyce występują różne rozwiązania kompensatorów. Do najczęściej
stosowanych układów należą kompensatory typu

TCR/FC

(Thyristor

Controlled Reactor/Fixed Capacitor) - ze sterowanym fazowo stopniem
dławikowym i stałą baterią kondensatorów oraz

TSC

(Thyristor Switched

Capacitor) – ze załączanymi skokowo stopniami baterii kondensatorów.

SVC realizują następujące funkcje:
¾

Kompensacja mocy biernej

Stabilizacja napięcia w węzłach sieci

Kompensacja składowej przeciwnej prądów i napięć, czyli symetryzacja

3 / 30

Kompensator typu FC/TCR

W elementach TCR prąd

dławika jest regulowany

przez zmianę

kąta

załączania tyrystorów.
Pierwsza harmoniczna prądu

dławika zależy od kąta

przewodzenia

σ:

1TCR

TCR

sin

U B( )U

σ −

= σ

TCR

jest reaktancją dławika,

α jest kątem wyzwalania tyrystorów, π/2 ≤ α ≤ π

)

σ = π − α

(

)

−

B U

4 / 30

Kompensator typu FC/TCR

Wypadkowy prąd kompensatora i

(t) jest sumą prądu kondensatora i

dławika:

TCR

i (t) i (t) i

(t)

Jeśli prąd w gałęzi dławikowej równy jest zeru (

α = π, σ = 0), wówczas

kompensator oddaje do sieci moc bierną, a jego prąd ma charakter
pojemnościowy. Przy pełnym wysterowaniu tyrystorów (

α = π/2, σ = π)

kompensator odbiera moc bierną, a prąd kompensatora ma charakter
indukcyjny. Regulacja prądu kompensatora w granicach od I

Cmax

do I

lmax

ma charakter ciągły.

u(t)

-150

-100

-50

100

150

(t)

u(t)

-150

-100

-50

100

150

(t)

5 / 30

Kompensator typu FC/TCR

Charakterystyka napięciowo-prądowa kompensatora

6 / 30

Kompensator typu TSC

Kompensator typu TSC stanowi dla sieci obciążenie o charakterze
pojemnościowym, którego wartość zmienia się skokowo, poprzez
zmianę liczby załączonych stopni baterii kondensatorów

7 / 30

ady STATCOM

Zasadnicza częścią układu STATCOM jest inwertor napięcia, połączony z siecią
zasilającą przez reaktancję indukcyjną, którą zwykle stanowi indukcyjność
transformatora pośredniczącego. Od wzajemnej relacji pomiędzy napięciem sieci i
inwertora zależy sposób pracy kompensatora.

jX I

praca
indukcyjna

jX I

praca
pojemnościowa

Jeśli U

< U

kompensator stanowi

obciążenie o charakterze indukcyjnym, a
więc pobiera moc bierną. Prąd opóźnia
się o 90

° względem napięcia, a strata

napięcia na reaktancji transformatora jest
w fazie z napięciem inwertora. W sytuacji
odwrotnej, jeśli U

> U

układ generuje do

sieci moc bierną, jest zatem obciążeniem
o charakterze pojemnościowym. Prąd
wyprzedza napięcie o 90

°, a strata

napięcia jest w przeciwfazie z napięciem
inwertora

8 / 30

ady STATCOM

Charakterystyka napięciowo-prądowa układu

(

)

i(1)

Q 3 U

U cos I

−

i(1)

- pierwsza

harmoniczna napięcia

fazowego inwertora
U

- napięcie sieci

I - prąd pobierany przez

kompensator
δ – kąt pomiędzy

wskazami napięć sieci i

inwertora

9 / 30

ady STATCOM

Kompensatory typu STATCOM wymagają zastosowania

tyrystorów

całkowicie sterowalnych

oraz źródła napięcia stałego, zwykle

kondensatora, który w czasie pracy układu jest doładowywany i
rozładowywany, stanowiąc magazyn energii.

Trójfazowy inwertor 6-pulsowy

STATCOM 6-pulsowy: Napiecia wyjsciowe

t[s]

1.020

1.030 1.040 1.050

1.060 1.070

uAB

uBC

uCA

10 / 30

ady STATCOM

STATCOM 6-pulsowy: Prady w galeziach mostka

t[s]

1.020

1.040

1.060

0.0

tyrystor 1

dioda 1

impuls z...

0.0

tyrystor 4

dioda 4

impuls z...

STATCOM 6-pulsowy

t[s]

1.020

1.040

1.060

0.0

uAB

Prad fazy A

Napiecie na ko...

Prad kondensa...

Przebiegi prądów i napięć inwertora 6-pulsowego

przy pracy indukcyjnej

11 / 30

ady STATCOM

STATCOM 6-pulsowy: Prady w galeziach mostka

t[s]

1.020

1.040

1.060

tyrystor 1

dioda 1

impuls z...

tyrystor 4

dioda 4

impuls z...

STATCOM 6-pulsowy

t[s]

1.020

1.040

1.060

uAB

Prad fazy A

Napiecie na ko...

Prad kondensa...

Przebiegi prądów i napięć inwertora 6-pulsowego

przy pracy pojemnościowej

12 / 30

ady STATCOM

Układ STATCOM 12-pulsowy

STATCOM 12-pulsowy: Napiecia wyjsciowe kompensatora

t[s]

1.020

1.030

1.040

1.050

1.060

1.070

uAB

13 / 30

ady STATCOM

STATCOM 12-pulsowy: Prad kompensatora

t [s]

1.020 1.030 1.040 1.050 1.060 1.070

STATCOM 12-pulsowy: Prad kompensatora

t [s]

1.020 1.030 1.040 1.050 1.060 1.070

Obciążenie indukcyjne

Obciążenie pojemnościowe

14 / 30

ady STATCOM

STATCOM 24-pulsowy: Napiecia wyjsciowe

t[s]

1.020

1.030

1.040

1.050

1.060

1.070

uAB

STATCOM 24-pulsowy

STATCOM 24-pulsowy: Prad kompensatora

t [s]

1.020 1.030 1.040 1.050 1.060 1.070

STATCOM 24-pulsowy: Prad kompensatora

t [s]

1.020 1.030 1.040 1.050 1.060 1.070

15 / 30

ady STATCOM

D +

D -

Udc

Uac

alfa

Uref

Schemat układu sterowania kompensatora STATCOM

16 / 30

ady STATCOM

MOCE BIERNE TRÓJFAZOWE

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

Q [MVAr]

Qs
Qo
-Qk

17 / 30

ady STATCOM

MOCE BIERNE TRÓJFAZOWE

-50,0

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

10,0

10,1

10,2

10,3

10,4

10,5

t [s]

Q [M

Qs
Qo
-Qk

18 / 30

ady STATCOM

NAPIĘCIA MIĘDZYPRZEWODOWE

85,0

90,0

95,0

100,0

105,0

110,0

115,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

U [%]

U_AB
U_BC
U_CA

NAPIĘCIA MIĘDZYPRZEWODOWE

85,0

90,0

95,0

100,0

105,0

110,0

115,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

U [%]

U_AB
U_BC
U_CA

19 / 30

ady STATCOM

WSPÓŁCZYNNIK ASYMETRII NAPIĘCIA

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

k2U [%]

WSPÓŁCZYNNIK ASYMETRII NAPIĘCIA

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

k2U [%]

20 / 30

ady STATCOM

WSKAŹNIKI MIGOTANIA IEC

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

t [s]

[-]

Pf_(uAB)
Pf_(uBC)
Pf_(uCA)

WSKAŹNIKI MIGOTANIA IEC

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

1,0

3,0

5,0

7,0

9,0

11,0

13,0

15,0

17,0

19,0

t [s]

[-]

Pf_(uAB)
Pf_(uBC)
Pf_(uCA)

21 / 30

ady STATCOM

0 , 0

5 , 0

1 0 , 0

1 5 , 0

2 0 , 0

2 5 , 0

3 0 , 0

U _ A B

U _ B C

U _ C A

P I E C

S V C - 1

S V C - 2

S T A T C O M - 1 2

S T A T C O M - 2 4

W S P Ó Ł C Z Y N N I K R E D U K C J I O D C H Y L E Ń N A P I Ę C I A

rem

kompensato

bez

zaburzenia

Współczynnik redukcji

bez kompensatora

– wartość percentyla

0,95określonego zaburzenia bez kompensacji

z kompensatorem

- wartość percentyla

0,95określonego zaburzenia z kompensacją

22 / 30

ady STATCOM

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

R(P

U _AB

U _B C

U _C A

PIEC

S VC -1

SV C -2

S TATC O M -12

S TATC O M -24

W SPÓ ŁC ZYN N IK R ED U K C JI M IG O TAN IA Ś W IATŁA

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

R(k2U)

PIEC

SV C -1

SVC -2

STATC O M -12

STATC O M -24

W SPÓ ŁC ZYN N IK R ED U K C JI ASYM ETR II N APIĘ C IA

23 / 30

ady STATCOM

0 ,0

2 ,0

4 ,0

6 ,0

8 ,0

1 0 ,0

Uh [%]

1 1

1 3

2 3

2 5

STATCO

-12

ATCO

M-

N U M E R H A R M O N IC Z N E J

O D K S Z T A Ł C E N IE H A R M O N IC Z N Y M I N A P IĘ C IA u

A B

24 / 30

ady DSTATCOM

Elementy półprzewodnikowe o dużej dopuszczalnej częstotliwości łączeń,
np. IGBT

Schemat
układu
DSTATCOM do
zastosowań w
sieci niskiego
napięcia

Sterowanie PWM

25 / 30

ady DSTATCOM

Technika sterowania PWM polega na kształtowaniu fali napięcia
wyjściowego poprzez modulację szerokości impulsów zapłonowych
elementów półprzewodnikowych inwertora. Porównywane są dwa
sygnały:

nośny

, zwykle piłokształtny o częstotliwości będącej

wielokrotnością częstotliwości podstawowej

oraz

modulujący

–

sinusoidalny o częstotliwości podstawowej

. Sygnał sterujący

załączaniem elementów półprzewodnikowych przyjmuje dwie
wartości: dodatnią, jeśli sygnał modulujący przekracza wartość
sygnału nośnego i ujemną w przypadku przeciwnym.
Aby uzyskać zbliżony do sinusoidy kształt napięcia wyjściowego
inwertora należy przyjąć częstotliwość sygnału nośnego co najmniej
20-krotnie większą od częstotliwości podstawowej. Przy mniejszych
częstotliwościach wzrasta poziom harmonicznych w generowanym
napięciu.

26 / 30

ady DSTATCOM

Kompensator typu STATCOM przeznaczony do zastosowań w sieci
odbiorczej niskiego napięcia zaliczany jest do grupy urządzeń „

custom

power

” i określany mianem DSTATCOM. Celem działania układu jest zwykle

kompensacja negatywnych oddziaływań odbiorników na sieć zasilającą
takich jak harmoniczne, asymetria czy obciążenie sieci mocą bierną.

Zasada działania polega na generowaniu do sieci trzech niezależnych
prądów fazowych takich, aby suma prądów kompensatora i odbioru płynąca
przez sieć zasilającą, dawała przebieg symetryczny, sinusoidalny, będący w
fazie z napięciem lub przesunięty względem napięcia o zadany kąt.

Wielkościami wejściowymi układu sterowania są prądy fazowe odbioru –
praca w trybie kompensacji prądowej

zasada filtru aktywnego

27 / 30

ady DSTATCOM

Idea kompensacji polega na identyfikacji odpowiednich składowych
mocy chwilowych. W układach symetrycznych i liniowych wartości mocy
czynnej i biernej są stałe. W układach zasilających odbiorniki nieliniowe i
niesymetryczne w przebiegu mocy czynnej i biernej pojawiają się
dodatkowe składowe

oscylacyjne.

osc

p p

q q

Algorytm wyznaczania
prądu referencyjnego
zależy od wyboru
składowych
eliminowanych.

Moce chwilowe

t[s]

1.000

1.010

1.020

1.030

1.040

1.050

1.060

-0.040

0.000

0.040

0.080

czyn

p_inst

p_inst filtered

-0.040

0.000

0.040

q_inst

q_inst filtered

28 / 30

ady DSTATCOM

Prady

t[s]

1.000

1.010

1.020

1.030

1.040

1.050

1.060

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

iAo

iBo

iCo

-0.10

0.00

0.10

iAk

iBk

iCk

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

iAs

iBs

iCs

Kompensacja
harmonicznych i
asymetrii odbioru

29 / 30

ady DSTATCOM

Kompensacja zapadów napięcia – praca w trybie kompensacji

napięciowej

30 / 30

ady DSTATCOM

Napiecia fazowe

t [s]

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

Uf_comp

Zapad napięcia w sieci nn przy
zwarciu 3-fazowym w sieci WN

i jego kompensacja za pomocą

układu DSTATCOM

Moc bierna kompensatora

t [s]

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

Moc bierna podstawowej
harmonicznej generowana
przez układ DSTATCOM w
czasie zapadu napięcia