Sådan vælger du det rigtige aktiveffektfilter til din applikation
De fleste installationer i dag er udsat for et stort strømkvalitetsproblemer og udfordringer for at overholde netkodeks og energieffektivitetskrav, da de ikke er designet til at understøtte ulineære, ubalancerede og variable belastninger og generatorer, der udgør en stor procentdel af moderne elektriske strømsystemer.
Disse problemer og udfordringer stammer fra udstyr som drev med variabel hastighed (VSD), svejsemaskiner, transformere, ovne, belysning, UPS-systemer med dobbeltkonvertering, højdynamiske belastninger, enfasede belastninger, batteriladere, jernbaneelektrificeringssystemer, generatorer til fossilt brændstof og vedvarende energi. generationskilder, for at nævne nogle få. Begivenheder som kondensatorskift (fra eksisterende kondensatorbanker eller passive harmoniske filtre), automatisk genlukning af transmissions- og distributionsledninger eller start af store motorbidrager også til disse problemer og udfordringer.
Aktive strømfiltre er en af de hurtigste voksende kraftelektronikteknologier til løsning af problemer med strømkvalitet og opfyldelse af netkode og energieffektivitetskrav for en lang række segmenter og applikationer.
Aktive strømfiltre er en højtydende, fleksibel, kompakt, modulær og omkostningseffektiv type strømelektronikløsninger, der giver en øjeblikkelig og effektiv respons i lav- eller højspændingselektriske strømsystemer. De muliggør længere levetid for udstyret, højere procespålidelighed, forbedret strømsystemkapacitet og stabilitet og reduceret energitab, der overholder de mest krævende strømkvalitets- og energieffektivitetsstandarder og netkoder.
Aktiv strømfiltre
Aktive strømfiltre (APF for korte), også kaldet aktive filtre (AF for korte) har eksisteret siden begyndelsen af 1970’erne. Beskrivelse af deres topologi og driftsprincip kan findes så langt tilbage som 1974.
Siden deres introduktion på markedet har APF’er fået stor opmærksomhed som erstatningsteknologi for konventionelle løsninger blevet som kondensatorbanker, shuntreaktorer og passive harmoniske filtre, der traditionelt er brugt til at håndtere problemer med strømkvalitet og netkode og energieffektivitetskrav. Ulemperne ved disse konventionelle løsninger som deres langsomme responstid, begrænsede kompensationsevne, voluminøse størrelse og resonansfølsomhed med kildeimpedansen sammen med den kraftige reduktion i prisen på APF’er i de seneste år resulterede i den øgede brug af APF’er i lav- og højspændingsapplikationer .
Moderne APF’er er strømelektroniske enheder med avanceret digital behandling, der kan styres til at fungere som strøm- eller spændingsgeneratorer. De kan forbindes parallelt eller i serie med elsystemet. De parallelkoblede APF’er kaldes shunt-APF’er eller strømføde APF’er. APF’erne forbundet i serie kaldes ogsaa spændingsføde APF’er.
Shunt aktivt strømfiltre
Shunt-APF-konfigurationen er den mest udbredte til APF’er i dag, og den er den konfiguration, som denne serie af artikler vil diskutere mere detaljeret. Shunt-APF’er er forbundet parallelt med det udstyr, der genererer strømkvalitetsproblemer, eller som har problemer med at overholde netkodeksen og energieffektivitetskrav.
Shunt APF’er kan bruge en kontrollerbar spændingskilde eller en kontrollerbar strømkilde. Den spændingskildeomformer (VSC) baserede shunt APF er langt den mest almindelige type på grund af dens velkendte topologi, rimelige omkostninger og ligetil installationsprocedure.
Den største fordel ved shunt-APF’er i forhold til serie-APF’er er, at de ikke behøver at håndtere installationens fulde strømme, kun strømmen fra det udstyr, de er forbundet parallelt med. Dette problem øger de nuværende vurderinger (og omkostninger) for serie APF’er betydeligt. De er også ideelle til at håndtere problemer forårsaget af strømme som at eliminere strøm-bølgeforms harmoniske eller balancere trefasede strømme.
Serie aktive strømfiltre
Seriens APF’er er forbundet i serie med det elektriske strømsystem gennem en matchende transformer, der bruger en spændingskildekonverter som den kontrollerede kilde.
APF’en i denne konfiguration producerer en PWM-spændingsbølgeform, som adderes eller subtraheres, på en øjeblikkelig basis, til/fra forsyningsspændingen for at opretholde en ren sinusformet spændingsbølgeform over det elektriske kraftsystem.
Den største fordel ved serie-APF’er i forhold til shunt-APF’er er, at de er ideelle til at håndtere problemer forårsaget af spændinger som at eliminere spændingsbølgeform-harmoniske eller balancere trefasede spændinger.
Oversigt over aktive shuntfiltre
Konventionelle løsninger som kondensatorbanker, shuntreaktorer og passive harmoniske filtre, bestående af induktans-, kapacitans- og modstandskomponenter, reagerer ikke altid korrekt på den krævede dynamik i moderne elektriske kraftsystemer. Selvom de er enkle i konstruktionen og nogle gange meget omkostningseffektive afhængigt af applikationen, arver de adskillige mangler.
Kompensationsegenskaberne for disse løsninger er påvirket af kildeimpedansen. Som sådan er konventionelle løsninger stærkt afhængige af det elektriske elsystem, som de er tilsluttet. For eksempel kan resonanser påvirke stabiliteten af det elektriske strømsystem, og tolerancer i komponentværdier påvirker kompensationsegenskaberne. Komponenterne er også normalt omfangsrige på grund af de problemer, de skal tages i betragtning i deres design som harmoniske rækkefølger af installationen.
Shunt APF’er blev udviklet og kommercialiseret som en økonomisk løsning til at håndtere alle disse mangler, der tilbyder en ydeevne uafhængig af det elektriske kraftsystems egenskaber, samtidig med at de er i stand til at overholde realtidskravene for moderne belastninger og generatorer.
Typer af shunt-APF’er
Seneste shunt-APF’er er bygget på neutral-punkt-klemmet (NPC) inverterteknologi. De kan installeres på ethvert punkt i det elektriske strømsystem (lav- eller højspænding) parallelt med det udstyr, der forårsager problemer eller skal overholde visse krav.
Gennem årene er designet af shunt-APF’er blevet skræddersyet til at levere specifikke funktionaliteter. De er i stand til at kompensere strømbaserede forvrængninger såsom strømharmoniske og strømubalancer, og spændingsbaserede forvrængninger såsom spændingsovertoner, spændingsudsving, spændingsvariationer og spændingsubalancer. De kan også understøtte udviklingen af ren energi ved effektfaktorkorrektion og reduktion af energitabene i det elektriske kraftsystem.
Skræddersyede APF-løsninger, der i øjeblikket findes på markedet, omfatter statiske var-generatorer (SVG), aktive harmoniske filtre (AHF), aktive belastningsbalancere (ALB) og to typer specialdesign, hybrid var-kompensatorer (HVC) og lavharmoniske drev ( LHD). Denne serie af artikler vil give nogle indsigter i alle disse tilpassede løsninger.
Design
Shunt APF’er er enheder, der opfører sig som en styret strømkilde, der leverer enhver form for strømbølgeform (med hensyn til fase, amplitude og frekvens) i realtid (typisk reaktionstid er under 50 mikrosekunder og typisk samlet responstid er under 100 mikrosekunder). De er udstyret med et energilagringselement, en IGBT-bro og et kontrolsystem, som gør det muligt for enheden at injicere den nødvendige strøm til det elektriske strømsystem. Deres drift er uafhængig af netværksimpedans, kurveform af den strøm, der skal kompenseres, og kvalitet af forsyningsspændingen.
Komponenter
Shunt APF’er er dannet af fem grundlæggende komponenter:
- Forvrængningsidentifikator: En signalbehandlingsfunktion, der tager den forvrængede bølgeform (linjestrømmen) og d(t), og danner en referencebølgeform, r(t), som vil reducere forvrængningen.
- Inverter: En effektinverter bygget med effektelektronikomskiftere (IGBT’er) og et koblet LCL-udgangsfilter, der er i stand til at gengive referencebølgeformen ved passende amplitude, I(APF).
- Styresystem: En pulsbreddemodulator og, hvis der er tale om en spændingskildekonverter, der bruges til at injicere strøm, en lokal strømstyringssløjfe, der sikrer, at I(APF) sporer r(t).
- Synkroniser: En signalbehandlingsblok baseret på faselåste sløjfeteknikker, der sikrer, at annulleringsbølgeformerne er korrekt synkroniseret med systemspændingen.
- DC-bus: Energilagringskomponent (typisk DC-elektrolytiske kondensatorer), der leverer det fluktuerende øjeblikkelige effektbehov for inverteren.
Inverter topologi
De fleste moderne shunt-APF’er er bygget på den nyeste VSC-topologi, 3-niveaus neutral-point clamped (NPC) inverter, hvilket giver flere fordele sammenlignet med APF’er bygget på den konventionelle 2-niveau topologi. I 3-niveau topologi er koblingsfrekvensen og spændingsspændingen fordelt mellem IGBT-switcherne. Reduceret stress forlænger levetiden for kraftelektronikken. Højere effektivitet, mindre udgangsstrømrippel, lavere tab, lavere støjniveauer og et mere kompakt design med mindre layout opnås også. Disse fordele gør de samlede ejeromkostninger meget lavere.
Spændingsområde
Det mest almindelige spændingsområde for shunt-APF’er er 200 V op til 690 V, da de er bygget ved hjælp af lavspændings-IGBT-switche. Det er muligt at tilslutte APF’er til højspændingssystemer (over 1 kV) ved hjælp af en passende step-up transformer.
Transformere bør studeres omhyggeligt, når man designer et system med APF’er. Step-up- eller step-down-transformere kan reducere kompensationsydelsen på grund af øget impedans mellem APF’en og det elektriske strømsystem.
Mekanisk design
De fleste leverandører af shunt APF tilbyder flere installationsalternativer: Enheder af typen aflukke, vægmonteringsenheder eller løse modulære enheder, der kan installeres inde i nye eller eksisterende aflukker. Et modulært APF-design giver slutbrugere mulighed for at tilpasse sig potentielle ændringer i fremtidige strømkvalitets- og energieffektivitetsforbedringsbehov eller krav til netkode. Modulært design betyder, at det er muligt nemt at tilføje ekstra kapacitet til APF’ens kapacitet inden for den eksisterende konfiguration, hvilket sparer både omkostninger og plads.
Efter denne oversigt over aktive strømfiltre og især shunt-APF’er, vil den næste artikel i denne serie diskutere driftsprincippet og hovedfunktionerne for disse enheder.
Christina Brædder
CEO Ample A/S
Christina Brædder er uddannet kemiingeniør med speciale indenfor analytisk kemi, og har lederuddannelse indenfor markedsføring. Hun har siden 1999 erhvervet en bred europæisk erfaring inden for elkvalitet og elektrisk beskyttelse samt præsenteret tekniske publikationer, og fungeret som inspirator for forfattere, lektorer og studerende i uddannelsessektoren.
I dag er hun en alsidig og dygtig leder af nichevirksomheden Ample A/S, som har særlig fokus på proces- og energioptimering samt levetidsforlængelse for el-tekniske anlæg f.eks. transformerstationer og forsyningstavler mv. Hun er også leder af Proswede El AB, som sælger og markedsfører el-komponenter i Norden indenfor elkvalitet, elektrisk beskyttelse og automation. Hun har været en førende ekspert i flere lederstillinger hos Eaton, SIBA GmbH og Siemens.
Forretnings- og markedsudvikling baseret på højteknologiske løsninger er hendes dybtliggende passion.
© Copyright 2024 Ample A/S, Alle rettigheder forbeholdes
Dette dokument indeholder oplysninger tilhørende Ample A/S og må ikke gengives helt eller delvist eller videregives uden forudgående skriftlig tilladelse fra Ample A/S.