Regeneratieve aandrijvingen uitgelegd: Kernprincipes & regulatieve overwegingen – Deel 2

Vervolgend op ons vorige artikel dat een kort overzicht gaf van regeneratieve aandrijvingoperatie, kijken we hier naar enkele van de speciale factoren die overwogen moeten worden met regeneratieve operatie.

Het effect op het stroomnetwerk (AC stroomnet)

Reglementen

Dit zijn de reglementen opgelegd door stroombedrijven om te waarborgen dat ingebouwde opwekking de veiligheid of betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening niet verstoort. De rest van deze sectie dekt de belangrijkste onderwerpen die door reglementen gecontroleerd worden. Als het regen-systeem gebruikt wordt als een intentionele generator, dan moet het voldoen aan de reglementen in werking op de plaats van gebruik. Als niet, dan moeten de onderwerpen die behandeld worden nog steeds overwogen worden wanneer de stroomnominale waarde van het regen-systeem een aanzienlijk deel is van de lokale stroomsysteem-nominale waarde, om te waarborgen dat in het geval van een fout of malfunction geen schade aan andere aangesloten apparatuur wordt veroorzaakt.

Kortsluitstroom

Een lokale generator bijdraagt aan de stroom in een elektrische fout (kortsluiting), en kan de veiligheid of vereiste nominalewaarde van schakelapparatuur beïnvloeden. In elk voorgesteld generator-installatie moet de toegevoegde foutstroom berekend worden. Echter, de Regen-inverter heeft een verwaarloosbare impact, omdat de elektronische overstroombescherming excessieve stroom veel sneller onderbreekt dan een stroomonderbreker of zekering kan handelen. De piek-kortsluitstroom voor de huidige generatie CT-inverters is 260% van de nominale stroom, en eenmaal de inverter afschakelt, daalt de stroom naar nul in minder dan 4 ms (afhankelijk van de waarde van de AC-drossel). De piekstroom voor beveiligingsnominale waarde wordt genomen over ten minste een halve cyclus van de voorzieningsfrequentie. Deze factoren samen maken de foutstroombijdrage verwaarloosbaar.

Eiland-operatie

Als het stroomnetwerk losgekoppeld wordt van een installatie waar een generator werkt, dan is er een mogelijkheid dat een stroom "eiland" kan optreden waar de lokale opwekking ongewild de lokale belastingen geenergiseerd houdt. Dit is niet heel waarschijnlijk, omdat zonder een doelmatig ontworpen governor om de frequentie te regelen, er niets is om te waarborgen dat aanbod en vraag gebalanceerd zijn. Normaal beweegt de frequentie snel buiten het werkbereik en het systeem schakelt uit. Ook, is er geen controle van spanning of reactief vermogen. Echter, als een eiland wel zou optreden, dan zou er een veiligheidsrisico zijn voor stroomwerkers, en een risico op schade aan lokale apparatuur in het eiland als de spanning of frequentie buiten hun veilige bereik zou bewegen.

Als een Regen-systeem een bron van energie heeft (bijv. een motor, batterij of andere energiebron) zodat eiland-operatie mogelijk is, dan moet bescherming worden voorzien tegen een schadelijk eiland dat optreedt. Het frequentiebereik van de regen-aandrijving moet beperkt worden in de parameterinstellingen tot een veilig bereik, en een overspanningsrelais moet geïncorporeerd worden om de inverter af te schakelen als de spanning excessief wordt.

Intentioneel Eiland, back-up opwekking

Let op dat de regen-inverter niet kan worden gebruikt als een zelfstandige generator, bijv. als een back-up voorziening in geval van netvoorzieningsverlies. Het kan alleen gebruikt worden in combinatie met een bestaande voorziening waartoe het zichzelf synchroniseert.

Doorrijden (Ridethrough)

Intentionele generatoren kunnen vereist zijn om door te gaan met opereren tijdens een stroomnetwerk-verstoring. De meest voorkomende situatie is waar een fout (kortsluiting) ergens in het stroomnetwerk optreedt wat resulteert in een plotselinge spanningsdip aan de generator-klemmen. Dit kan gebalanceerd of ongebalanceerd zijn tussen de drie fasen. Tijdens doorrijden, is het misschien niet mogelijk om het nominale vermogen door te genereren als de spanning te laag is, maar reactieve stroom is vereist om de spanning te ondersteunen en het net te helpen controle terug te winnen zodra het defecte circuit door automatische beveiligingsapparaten is losgekoppeld.

Een simpele AFE is tamelijk gevoelig voor spanningverstoringen omdat zijn operatie steunt op een nauwkeurige balans tussen de netspanningsgolfform en die gegenereerd binnen de inverter. Tenzij het doorrijdcapaciteit heeft, is het meer geneigd om storende afschakelingen te veroorzaken dan een simpele gelijkrichter. De Unidrive M heeft een selecteerbare doorrijdcapaciteit die voldoet aan belangrijke nationale standaardeisen zoals de BDEW-richtlijnen voor generatoren aangesloten op MV-netwerken.

Het is belangrijk om te waarderen dat in normale regeneratieve operatie de Regen-inverter zijn vermogensuitgang naar het AC-stroomsysteem aanpast om de DC-busspanning te regelen op de gewenste waarde. Tijdens een spanningverstoring kan het niet meer zijn volle nominale vermogen genereren, dus het kan onmogelijk zijn om de DC-spanning te blijven regelen. De vermogensbron moet dan deze rol overnemen. Als het dit niet doet, kan er een overspanningsafschakeling optreden als de binnenkomende stroom de uitgaande overschrijdt. Alternatief kan een remweerstand aangesloten worden om excessief vermogen te absorberen.

Vermogen en Frequentie Regulering

De balans van aanbod en vraag in het AC-stroomnetwerk wordt bereikt door de frequentie te regelen. Een intentionele generator kan vereist zijn om hierin te helpen door te reageren op externe vermogenscommando's, of een besturingsfunctie van vermogen tegen frequentie te implementeren. Dit kan als een applicatie in de aandrijving geprogrammeerd worden.

Harmonische en interharmonische

Zoals besproken in de eerste regen-blog, genereert de regen-inverter verwaarloosbare niveaus van echte harmonische stroom, d.w.z. op gehele veelvouden van de AC-voorzieningsfrequentie. Het interageert met bestaande harmonische op de voorziening, en het genereert ook PWM-modulatieproducten. Deze zijn op hoge frequenties die voor vele jaren beschouwd werden als buiten het bereik van harmonische, die doorgaans beschouwd werden om te eindigen bij orde 40. Echter, meer recente technische standaarden en instrumenten hebben begonnen harmonische tot orde 100 te overwegen.

Bijvoorbeeld, neem een systeem dat opereert op een nominale lijnfrequentie van 60 Hz en een schakelfrequentie van 3 kHz. De belangrijkste schakelgerelateerde frequenties die aanwezig zullen zijn, zijn 2880 Hz en 3120 Hz. Dit zijn 48 en 52 keer de voorzieningsfrequentie. Echter, de twee frequenties zijn geen commensurable grootheden, of met andere woorden ze zijn niet fase-gekoppeld. Als de lijnfrequentie 60,1 Hz was, zouden de equivalente productfrequenties 2879,8 Hz en 3120,2 Hz zijn. Wanneer een harmonische-analyse-instrument in zo'n systeem wordt aangesloten, zal het waarschijnlijk deze aangeven als de 48ste en 52ste harmonische, als het de standaard 5 Hz bandbreedte heeft, of het kan een onmogelijkheid om de data te synchroniseren aangeven.

Als de schakelfrequentie 4 kHz was geweest, dan zouden de hoofdfrequenties die aanwezig zijn 3880 Hz en 4120 Hz zijn, wat geen harmonische frequenties zijn. Ze zouden aangegeven worden als "interharmonische" door een analysator met interharmonische-faciliteit, of ze kunnen genegeerd worden door een basale harmonische-analysator met een normale 5 Hz bandbreedte.

De harmonische en interharmonische die hierboven besproken zijn, zijn allemaal 3-fasen sets met ofwel positieve ofwel negatieve fasesequentie. Dit betekent dat, in tegenstelling tot de hoge-frequente common-mode "ruis" spanningen, ze door transformatoren doorgegeven worden en interferentie kunnen veroorzaken verder dan een site-voorzieningstransformator. De schakelfrequentie-filter is nodig om hun magnitudes te verminderen tot acceptabele waarden.

Interactie met de DC-vermogensbron/put – controle van spanning

Wanneer een regen-systeem verbonden is met een DC-bron of belasting, moet gedachte gegeven worden aan de controle van de DC-spanning. In een regenererend aandrijvingssysteem, wordt de machine-aandrijving effectief een constant-vermogen bron, en de regen-inverter past zijn vermogensexport aan om de binnenkomende stroom te balanceren bij de gewenste DC-spanning. Andere systemen kunnen tamelijk verschillende kenmerken hebben. Bijvoorbeeld, in een PV-inverter worden de DC-spanning en stroom gecontroleerd door de PV-array spanning/stroom-kromme voor de gegeven insolation en temperatuur. De inverter "weet" niet van nature welke spanning te kiezen, dus de regen-inverter DC-spanningreferentie moet aangepast worden door het MPPT-algoritme om het optimale vermogenspunt te vinden.

DC-voorziening common-mode spanning

De DC-voorziening in een regen-systeem heeft een ongewone common-mode spanning, dat is de gemiddelde spanning tussen zijn polen en aard. Een volledige spanningsgolfform-analyse is tamelijk complex, maar verwijzend naar het vereenvoudigde schema in Figuur 1 van de eerste blog, kunt u afleiden dat wanneer een van de invoer-inverter transistor-paren zijn toestand verandert, de neiging is voor de spanning van het DC-bus-circuit te veranderen met een stap gelijk aan V_DC, ten opzichte van aard. In feite wordt de stap beperkt door de spanningsdeling rondom de invoer-drossel tot 1/3 V_DC. Deze stap gebeurt telkens wanneer een fase schakelt, d.w.z. zes keer in elke PWM-schakelcyclus.

Dit betekent dat wanneer de AC-voorziening een conventionele net-LV-voorziening is met neutraal verbonden met aard, de DC-bus een hoge common-mode spanning draagt wat een complex PWM-patroon is met snel-opstijgende flanken, wat een wijd spectrum van frequenties bevat. Enkele van de effecten hiervan zijn gegeven in de volgende lijst:

1. Geen van de aandrijvingen aangesloten op de DC-bus, noch de Regen-inverter zelf, mogen de interne EMC-filtercondensatoren in plaats hebben, omdat deze condensatoren overbelast kunnen worden door de common-mode spanning, en hoge circulerende aardstromen zouden veroorzaken wat resulteert in inverter-malfunctionering.
2. Geen RFI-filter mag aan de DC-bus verbonden worden, om dezelfde reden als in 1.
3. De DC-bus is "ruisvol", dus als het verdeeld wordt via ongeschermde geleiders kan het interferentie veroorzaken met nabijgelegen signaalcircuits. Als de DC-stroom over significante afstanden verdeeld moet worden, moet het in afgeschermde kabels zijn. Echter, als de kabels lang zijn, zal de hoge-frequente aardstroom in hun afwijkende capaciteit additionele vermogensverlies in de Regen-drossels veroorzaken.
4. Geen andere apparatuur kan aan de DC-bus verbonden worden tenzij bevestigd is dat het de common-mode spanning kan tolereren. (Bijv. apparatuur ontworpen om van een DC-voorziening te werken heeft waarschijnlijk zijn eigen RFI-filter, wat de common-mode spanning niet zou tolereren. Meeste stroom- en spanningstransducers zijn echter ontworpen om common-mode spanning te tolereren.)

Voor speciale toepassingen waar deze effecten onacceptabel zijn, is één oplossing om een isolerende transformator aan de invoer te gebruiken zodat de AC-voorziening geïsoleerd is van aard. Het is dan mogelijk om te opereren met één pool van de DC-bus direct met aard verbonden, dus er is geen common-mode spanning. Of het kan via condensators met aard of een RFI-filter zoals vereist verbonden worden, om de hoge-frequente common-mode ruis te verminderen die het meest waarschijnlijk interferentie zal veroorzaken. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt in fotovoltaïsche inverters, en in systemen waar de DC-stroom verdeeld moet worden naar meerdere belastingen.

Filters, Voorzieningsimpedantie, Stroomcontrole

De schakel-frequentie-filter is hierboven besproken in verband met het vermijden van interferentie met andere apparatuur aangesloten op hetzelfde voorzieningscircuit. De filter moet ook overwogen worden in termen van zijn effect op het inverter-besturingssysteem.

In een 3 kHz inverter is de filter-omschakelfrequentie ongeveer 800 Hz, zodat het nuttige demping geeft op 2900 Hz. De omschakeling wordt enigszins beïnvloed door de voorzieningsimpedantie, wat een onbekende is voor deze ongewone frequenties. Dit betekent dat de stroomlus-versterking in de inverter niet te hoog ingesteld mag worden anders wordt stabiliteit rond 800 Hz marginaal en het systeem gevoelig voor verstoring en geneigd tot malfunctionering. Voor de meerderheid van conventionele aandrijvingstoepassingen, dat is waar het regen-systeem een van veel belastingen is in een industriële LV-distributie-netwerk, is er voldoende natuurlijke demping dat geen speciale eisen ontstaan. De standaardwaarden zijn meestal effectief.

Waar een of meer regen-systemen gevoed worden van een toegewijde voorziening, met weinig anders aangesloten, is het mogelijk voor de stroomlussen ondergedempt te zijn. Dit kan gemakkelijk geïdentificeerd worden met een oscilloscoop om de lijnstroomgolfformen te bekijken, aangezien bussen van oscillatie ("ringing") optreden met een periode van ongeveer 800 Hz, vaak op 6 punten in elke netcyclus. In deze situatie kan de stabiliteit hersteld worden door de P-term in de stroombesturingslussen te verlagen. Het kan ook nodig zijn om de spanning-lus-versterkingen te verlagen om een ondergedempte spanning-controle te vermijden veroorzaakt door de langzamere stroomlus. Als de toepassing hoogdynamisch is zodat deze lagere versterkingen niet acceptabel zijn, dan is een alternatieve methode voor het verbeteren van de demping vereist. Er zijn twee opties:

1. Voeg verdere filtercondensatoren toe. Dit brengt de filter-omschakelfrequentie naar een waarde waar de stroombesturingslussen minder faselag hebben en actieve demping kunnen bijdragen.
2. Gebruik een gedempte filter. Dit gebruikt enkele additionele condensatoren en kleine weerstanden om demping te leveren. Verdere informatie is beschikbaar bij CT Technische Ondersteuning.

Beide opties zijn effectief gebruikt. Het nadeel van optie 1. is dat meerdere condensatoren vereist kunnen zijn, wat ruimte inneemt en ook een hoge staande reactieve stroom veroorzaakt wat dan misschien gecompenseerd moet worden door de inverter reactieve stroom besturingsfunctie. Het nadeel van optie 2. is dat de weerstanden enig staand vermogensverlies veroorzaken, en ze ook beschermd moeten worden tegen overbelasting in het geval van afwijkende harmonische in de voorziening, wat de optie tamelijk complex maakt.