Basisprincipes van regeneratieve aandrijvingen - deel 2

In navolging van ons vorige artikel dat een kort overzicht gaf van de werking van regeneratieve aandrijvingen, bekijken we hier enkele van de speciale factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij regeneratieve werking.

Het effect op het elektriciteitsnet (AC-stroomnet)

Regelgeving

Dit zijn de regels die energiebedrijven opleggen om ervoor te zorgen dat embedded opwekking de veiligheid of betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening niet verstoort. De rest van deze sectie behandelt de belangrijkste onderwerpen die geregeld worden door regelgeving. Als het regensysteem als een bewuste generator moet worden gebruikt, moet het voldoen aan de geldende voorschriften op de plaats van gebruik. Als dat niet het geval is, moeten de behandelde onderwerpen nog steeds worden overwogen wanneer de huidige classificatie van het regensysteem een ​​aanzienlijk deel van de lokale stroomsysteemclassificatie is, om ervoor te zorgen dat in het geval van een storing of storing geen schade wordt veroorzaakt aan andere aangesloten apparatuur .

Kortsluitstroom

Een lokale generator draagt ​​bij aan de stroom in een elektrische storing (kortsluiting) en kan de veiligheid of de vereiste classificatie van elektrische schakelapparatuur beïnvloeden. In elke voorgestelde generatorinstallatie moet de toegevoegde foutstroom worden berekend. De Regen-omvormer heeft echter een verwaarloosbare impact, omdat de elektronische overstroombeveiliging een te hoge stroom veel sneller onderbreekt dan een stroomonderbreker of zekering kan werken. De piekkortsluitstroom voor de huidige generatie CT-omvormers is 260% van de nominale stroom, en zodra de omvormer uitschakelt, neemt de stroom af tot nul in minder dan 4 ms (afhankelijk van de waarde van de AC-smoorspoel). De piekstroom voor beschermingsklasse wordt genomen over ten minste een halve cyclus van de voedingsfrequentie. Deze factoren samen maken de bijdrage van de foutstroom verwaarloosbaar.

Eilandbediening

Als het elektriciteitsnet wordt losgekoppeld van een installatie waar een generator in bedrijf is, bestaat de mogelijkheid dat er een "eiland" van elektriciteit ontstaat waar de lokale opwekking onbedoeld de lokale belastingen van stroom houdt. Dit is niet erg waarschijnlijk, want zonder een speciaal ontworpen regelaar om de frequentie te regelen, is er niets om ervoor te zorgen dat vraag en aanbod in evenwicht zijn. Normaal gesproken gaat de frequentie snel buiten het werkbereik en schakelt het systeem uit. Ook is er geen controle over spanning of reactief vermogen. Als er echter een eiland zou optreden, zou er een veiligheidsrisico zijn voor elektriciteitswerkers en een risico op schade aan lokale apparatuur op het eiland als de spanning of frequentie buiten hun veilige bereik zou komen.

Als een Regen-systeem een ​​energiebron heeft (bijv. een motor, batterij of andere energieopslag), zodat eilandbediening mogelijk is, dan moet bescherming worden geboden tegen het optreden van een schadelijk eiland. Het frequentiebereik van de regenomvormer moet in de parameterinstellingen worden beperkt tot een veilig bereik en er moet een overspanningsrelais worden ingebouwd om de omvormer uit te schakelen als de spanning te hoog wordt.

Voor opzettelijke generatoren zijn er normen voor eilandbeveiliging (soms aangeduid als "Loss of Mains"-beveiliging (LOM). Sommige hiervan vereisen dat de omvormer een speciaal algoritme gebruikt om de eilandconditie te detecteren, dat als standaardvoorziening beschikbaar is in de Aandrijving Unidrive M. Sommige daarvan hebben een onafhankelijk goedgekeurd beveiligingsrelais nodig.

Opzettelijk eiland, back-upgeneratie

Houd er rekening mee dat de regenomvormer niet kan worden gebruikt als een stand-alone generator, bijvoorbeeld als back-upvoeding bij uitval van de netvoeding. Het kan alleen worden gebruikt in combinatie met een bestaande voeding waarop het zichzelf synchroniseert.

Rit-through

Opzettelijke generatoren kunnen nodig zijn om in bedrijf te blijven tijdens een storing in het elektriciteitsnet. De meest voorkomende situatie is dat ergens in het stroomnet een storing (kortsluiting) optreedt waardoor een plotselinge spanningsdip op de generatorklemmen ontstaat. Dit kan gebalanceerd of onevenwichtig zijn tussen de drie fasen. Tijdens de rit is het misschien niet mogelijk om door te gaan met het genereren van het nominale vermogen als de spanning te laag is, maar er is reactieve stroom nodig om de spanning te ondersteunen en het net te helpen de controle te herstellen zodra het defecte circuit is losgekoppeld door automatische beveiligingsapparaten.

Een eenvoudige AFE is vrij gevoelig voor spanningsstoringen omdat de werking ervan afhankelijk is van een nauwkeurige balans tussen de golfvorm van de netspanning en de golfvorm die in de omvormer wordt gegenereerd. Tenzij het een ridethrough-mogelijkheid heeft, is het meer geneigd om overlast te veroorzaken dan een eenvoudige gelijkrichter. De Unidrive M heeft een selecteerbare ridethrough-mogelijkheid die voldoet aan de belangrijkste nationale standaardvereisten, zoals de BDEW-richtlijnen voor generatoren die zijn aangesloten op MV-netwerken.

Het is belangrijk om te beseffen dat bij normaal regeneratief bedrijf de Regen-omvormer zijn vermogen aan het AC-voedingssysteem aanpast om de DC-busspanning op de gewenste waarde te regelen. Tijdens een spanningsstoring kan hij niet langer zijn volledige nominale vermogen genereren, dus kan hij mogelijk niet doorgaan met het regelen van de gelijkspanning. De krachtbron moet deze rol dan overnemen. Als het dit niet doet, kan er een overspanningsuitschakeling zijn als het inkomende vermogen het uitgaande overschrijdt. Als alternatief kan een remweerstand worden aangesloten om overtollig vermogen op te vangen.

Vermogen en frequentieregeling

Het evenwicht tussen vraag en aanbod in het wisselstroomnet wordt bereikt door de frequentie te regelen. Een opzettelijke generator kan nodig zijn om hierbij te helpen door te reageren op externe vermogenscommando's, of om een ​​regelfunctie van vermogen tegen frequentie te implementeren. Dit kan als applicatie in de drive worden geprogrammeerd.

Harmonen en interharmonischen

Zoals besproken in het eerste regenblog, genereert de regenomvormer verwaarloosbare niveaus van echte harmonische stroom, d.w.z. bij gehele veelvouden van de AC-voedingsfrequentie. Het interageert met bestaande harmonischen op de voeding en genereert ook PWM-modulatieproducten. Deze zijn bij hoge frequenties die jarenlang werden beschouwd als buiten het bereik van harmonischen, waarvan algemeen werd aangenomen dat ze eindigden bij orde 40. Recentere technische normen en instrumenten zijn echter begonnen harmonischen tot orde 100 te overwegen.

Neem bijvoorbeeld een systeem dat werkt op een nominale lijnfrequentie van 60 Hz en een schakelfrequentie van 3 kHz. De belangrijkste schakelgerelateerde frequenties die aanwezig zijn, zijn 2880 Hz en 3120 Hz. Deze zijn 48 en 52 keer de leveringsfrequentie. De twee frequenties zijn echter geen commensurabele grootheden, of met andere woorden, ze zijn niet fasevergrendeld. Als de lijnfrequentie 60,1 Hz zou zijn, dan zouden de equivalente productfrequenties 2879,8 Hz en 3120,2 Hz zijn. Wanneer een harmonisch analyse-instrument in een dergelijk systeem is aangesloten, zal het deze waarschijnlijk aangeven als de 48e en 52e harmonischen, als het de standaard 5 Hz bandbreedte heeft, of het kan erop wijzen dat de gegevens niet kunnen worden gesynchroniseerd.

Als de schakelfrequentie 4 kHz was geweest, zouden de aanwezige hoofdfrequenties 3880 Hz en 4120 Hz zijn, die geen harmonische frequenties zijn. Ze zouden worden aangeduid als "interharmonischen" door een analysator met interharmonische faciliteit, of ze kunnen worden genegeerd door een basisharmonische analysator met een normale bandbreedte van 5 Hz.

De hierboven besproken harmonischen en interharmonischen zijn allemaal driefasige sets met een positieve of negatieve fasevolgorde. Dit betekent dat ze, in tegenstelling tot de hoogfrequente common-mode "ruis"-spanningen, door transformatoren worden geleid en interferentie kunnen veroorzaken buiten een transformator voor de voeding op locatie. Het schakelfrequentiefilter is nodig om hun grootte tot acceptabele waarden te reduceren.

Interactie met de DC-stroombron/-spoelbak – regeling van de spanning

Wanneer een regensysteem is aangesloten op een DC-bron of -belasting, moet worden nagedacht over de regeling van de DC-spanning. In een regenererend aandrijfsysteem wordt de machineaandrijving in feite een constante stroombron en past de regenomvormer zijn stroomuitvoer aan om het binnenkomende vermogen in evenwicht te brengen met de gewenste gelijkspanning. Andere systemen kunnen heel andere kenmerken hebben. In een PV-omvormer worden de DC-spanning en -stroom bijvoorbeeld geregeld door de spanning/stroomcurve van de PV-array voor de gegeven zonnestraling en temperatuur. De omvormer "weet" van nature niet welke spanning hij moet kiezen, dus de DC-spanningsreferentie van de regenomvormer moet worden aangepast door het MPPT-algoritme om het optimale voedingspunt te vinden.

DC voeding common-mode spanning

De DC-voeding in een regensysteem heeft een ongebruikelijke common-mode-spanning, dat wil zeggen de gemiddelde spanning tussen de polen en aarde. Een analyse van de volledige spanningsgolfvorm is vrij complex, maar verwijzend naar het vereenvoudigde schema in figuur 1 van de eerste blog, kun je afleiden dat wanneer een van de transistorparen van de ingangsomvormer van toestand verandert, de neiging is voor de spanning van het DC-buscircuit veranderen met een stap gelijk aan V_DC, met betrekking tot aarde. In feite wordt de stap beperkt door de spanningsdeling rond de ingangssmoorspoel tot 1/3 V_DC. Deze stap vindt plaats wanneer een fase schakelt, d.w.z. zes keer in elke PWM-schakelcyclus.

Dit betekent dat wanneer de AC-voeding een conventionele LV-netvoeding is met nulleider aangesloten op aarde, de DC-bus een hoge common-mode-spanning voert, wat een complex PWM-patroon is met snel stijgende flanken, met een breed spectrum aan frequenties. Enkele van de effecten hiervan worden in de volgende lijst gegeven:

1. Geen van de omvormers die op de DC-bus zijn aangesloten, noch de Regen-omvormer zelf, mogen de interne EMC-filtercondensatoren hebben, omdat deze condensatoren door de common-mode-spanning kunnen worden overbelast en daardoor hoge circulerende aardstromen kunnen veroorzaken in omvormer storing.
2. Er mag geen RFI-filter worden aangesloten op de DC-bus, om dezelfde reden als in 1.
3. De DC-bus is "luidruchtig", dus als deze wordt gedistribueerd via niet-afgeschermde geleiders, kan dit interferentie veroorzaken met nabijgelegen signaalcircuits. Als de gelijkstroom over grote afstanden moet worden verdeeld, moet dit in afgeschermde kabels zijn. Als de kabels echter lang zijn, zal de hoogfrequente aardstroom in hun parasitaire capaciteit extra vermogensverlies in de Regen-spoelen veroorzaken.
4. Er kan geen andere apparatuur op de DC-bus worden aangesloten, tenzij is bevestigd dat deze de common-mode-spanning kan verdragen. (Apparatuur die bijvoorbeeld is ontworpen om te werken met een gelijkstroomvoeding, heeft waarschijnlijk een eigen RFI-filter, dat de common-mode-spanning niet kan verdragen. De meeste stroom- en spanningstransducers zijn echter ontworpen om common-mode-spanning te tolereren.)

Voor speciale toepassingen waar deze effecten onaanvaardbaar zijn, is een oplossing om een ​​scheidingstransformator aan de ingang te gebruiken, zodat de AC-voeding is geïsoleerd van aarde. Het is dan mogelijk om te werken met één pool van de DC-bus die rechtstreeks op aarde is aangesloten, dus er is geen common-mode-spanning. Of hij kan zo nodig via condensatoren op aarde of een RFI-filter worden aangesloten om de hoogfrequente common-mode-ruis te verminderen die het meest waarschijnlijk interferentie veroorzaakt. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt in fotovoltaïsche omvormers en in systemen waar de gelijkstroom moet worden verdeeld over meerdere belastingen.

Filters, voedingsimpedantie, stroomregeling

Het schakelfrequentiefilter is hierboven besproken in verband met het vermijden van interferentie met andere apparatuur die op hetzelfde voedingscircuit is aangesloten. Het filter moet ook worden beschouwd in termen van zijn effect op het regelsysteem van de omvormer.

In een 3 kHz-omvormer is de filteromzetfrequentie ongeveer 800 Hz, zodat deze een nuttige demping geeft bij 2900 Hz. De omzet wordt enigszins beïnvloed door de voedingsimpedantie, een onbekende voor deze ongebruikelijke frequenties. Dit betekent dat de stroomlusversterking in de omvormer niet te hoog mag worden ingesteld, anders wordt de stabiliteit rond 800 Hz marginaal en wordt het systeem storingsgevoelig en vatbaar voor storingen. Voor de meeste conventionele aandrijftoepassingen, waarbij het regensysteem een ​​van de vele belastingen is in een industrieel LV-distributienetwerk, is er voldoende natuurlijke demping zodat er geen speciale vereisten ontstaan. De standaardwaarden zijn meestal effectief.

Wanneer een of meer regeneratieve systemen worden gevoed vanuit een speciale voeding, met weinig anders aangesloten, is het mogelijk dat de stroomlussen ondergedempt worden. Dit kan eenvoudig worden vastgesteld met behulp van een oscilloscoop om de golfvormen van de lijnstroom te bekijken, aangezien uitbarstingen van oscillatie ("ringing") optreden met een periode van ongeveer 800 Hz, vaak op 6 punten in elke netcyclus. In deze situatie kan de stabiliteit worden hersteld door de P-term in de stroomregellussen te verminderen. Het kan ook nodig zijn om de spanningslusversterking te verminderen om een ​​ondergedempte spanningsregeling veroorzaakt door de langzamere stroomlus te voorkomen. Als de toepassing zeer dynamisch is, zodat deze lagere winsten niet acceptabel zijn, is een alternatieve methode voor het verbeteren van de demping vereist. Er zijn twee opties:

1. Voeg nog meer filtercondensatoren toe. Dit brengt de filteromzetfrequentie naar een waarde waarbij de huidige regelkringen minder fasevertraging hebben en actieve demping kunnen bijdragen.
2. Gebruik een gedempt filter. Dit gebruikt enkele extra condensatoren en kleine weerstanden om te zorgen voor demping. Verdere informatie is verkrijgbaar bij de technische ondersteuning van CT.

Beide opties zijn effectief gebruikt. Het nadeel van optie 1. is dat er mogelijk meerdere condensatoren nodig zijn, die ruimte innemen en ook een hoge staande reactieve stroom veroorzaken, die dan mogelijk moet worden gecompenseerd door de regelfunctie van de blindstroom van de omvormer. Het nadeel van optie 2. is dat de weerstanden enig staand vermogensverlies veroorzaken, en ze moeten ook worden beschermd tegen overbelasting in het geval van abnormale harmonischen in de voeding, wat de optie nogal complex maakt.