6 Techniken zur Kontrolle HarmonischVerzerrung

Oberschwingungen, also Ströme oder Spannungen mit Vielfachen der Grundfrequenzen des Stromnetzes, entstehen durch nicht-Lineare BelastungHier sind sechs Techniken zur effektiven Steuerung und Reduzierung von Oberwellenverzerrungen, wobei der Schwerpunkt darauf liegt, wie die Produkte von Intone Power in diese Lösungen integriert werden können:

1. Netzwerk-Neukonfiguration

Die Netzumstrukturierung ist eine Maßnahme zur Reduzierung von Oberschwingungen. Dieser Prozess beginnt mit der Identifizierung der Nutzer oder Sektoren, die einen hohen Anteil an Oberschwingungsströmen im Stromnetz verursachen, und deren Kategorisierung anhand der Merkmale ihres Frequenzgehalts.

Angenommen, der Einsatz von Oberwellenfiltern ist nicht vorgesehen. In diesem Fall kann die Kombination von linearen und nichtlinearen elektrischen Lasten im Zuleitungsnetz die Oberwellenverzerrung reduzieren, da die lineare Last als natürlicher Dämpfungsregler wirkt und die parallelen Resonanzspitzen begrenzt.

Zu den Hauptzielen der Netzwerkrekonfiguration gehören:

•Minimierung des Stromverlusts im Netzwerk

•Netzwerk minimieren Spannungsgehäuse während des Schaltens oder bei Störungen

•Minimierung der Oberwellenverzerrung der Knotenspannung

•Minimierung des Systemungleichgewichts

Bei der Neukonfiguration des Netzwerks kommt die Branch-Exchange-Technik zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um eine Entwurfstechnik, bei der ein stromloser Verbindungszweig in das Stromnetz eingeführt wird. Dies wird in Abbildung 1 unten veranschaulicht.

Abbildung 1. Konfigurationsdiagramm vor und nach der Änderung.Bild mit freundlicher Genehmigung von Simon Mugo

Der Strom zum Knoten n floss zuvor über den Pfad pqr und nach der Konfiguration ändert sich der Strompfad in den Pfad pst. Der Vorteil dieser Technik ist die automatische Beibehaltung der radialen Konfiguration und es sind keine Berechnungen erforderlich, um den Zweck zu erfüllen.

2. Erhöhung der Steifigkeit im Versorgungsmodus

Eine Erhöhung des Verhältnisses zwischen dem aktuellen Kurzschlussstrom und den Nennlastströmen bedeutet einen leistungsfähigeren Stromversorgungsknoten. Dies ist häufig der Fall, wenn Energieversorger ihre Umspannwerke vergrößern. Dies geschieht auch, wenn große Stromverbraucher wie Industriekunden der Hauptversorgungsschiene weitere unterstützende Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen hinzufügen, um den Spitzenbedarf während des Betriebs zu verbessern.

Das Verhältnis zwischen Kurzschluss und Laststrom gibt uns die Quellensteifigkeit des Energiesystems. Eine steife Wechselstromversorgung erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kurzschlussstrom vorliegt.

Mit einem starken Versorgungsknoten können Sie sicher sein, dass Sie im Netzwerk vorhandene vorübergehende Störungen besser absorbieren können und dazu beitragen, die Auswirkungen der großen Einschaltströme des Transformators, der Kabelspeisung und des Anlaufs großer Motorlasten abzuschwächen.

Bei hohen Kurzschlussströmen ist mit niederohmigen Quellen zu rechnen, die wiederum eine Umkehrfunktion zur Größe des Transformators bilden. Wir können dies veranschaulichen, indem wir die Impedanzänderung berechnen, wenn ein alter, abgenutzter MVA1 mit Transformatorbemessung durch einen neuen MVA2 mit Transformatorbemessung ersetzt wird.

Durch Verwendung des Grundausdrucks der Transformatorimpedanz

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Am Ende haben wir

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Unter der Annahme, dass alle Parameter in der Gleichung gleich sind, reduziert sich die obige Gleichung auf:

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Diese Gleichung gibt uns das Impedanzverhältnis für die Variation zwischen dem neuen Transformator und dem alten Transformator an. Beispielsweise ergibt ein 60-MVA-Transformator eine doppelt so kleine Impedanz wie ein 30-MVA-Transformator und erhöht den Kurzschluss um das Doppelte, wobei davon ausgegangen wird, dass beide Transformatoren das gleiche Leckstromproblem haben.

Bei der harmonischen Frequenz variieren die kapazitiven und induktiven Impedanzen des Energiesystems entsprechend der Frequenzfunktion.

Für die induktive Last

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Für die kapazitive Last

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Induktive Komponenten des Stromsystems werden hauptsächlich von einer steiferen Stromquelle beeinflusst. Harmonische Ströme erzeugen einen Spannungsabfall, der durch die induktive Reaktanz des Systems beeinflusst wird, die aus der Einspeisung und den Komponenten der Umspannstation besteht.

Bei kurzen Zuleitungen ist die Quellenimpedanz die dominierende Komponente. In solchen Situationen ist damit zu rechnen, dass Oberschwingungsströme die Umspannstation des Systems erreichen und harmonische Verzerrungen verursachen. Bei steiferen Systemen ist mit geringeren harmonischen Verzerrungen zu rechnen.

3. Hinzufügen von Mehrpulswandlern zur Oberwellenunterdrückung

Hier können wir Halbwellen- und Vollwellengleichrichter einsetzen. Bei der Halbwellengleichrichtung wird ein Gleichstromausgang erzeugt, der einen Transformator sättigt. Dies kann durch die Verwendung einer Vollwellengleichrichtung begrenzt werden.

Der Sechs-Puls-Umrichter ist der einfachste verfügbare Mehrphasenumrichter. Der Zwölf-Puls-Umrichter dient zur Eliminierung von Oberschwingungen niedrigerer Ordnung, nämlich der 5. und 7. Ordnung.

Abbildung 2 unten zeigt eine Impulswandlerverbindung.

Abbildung 2. Anschlüsse des Impulswandlers.Bild mit freundlicher Genehmigung von Simon Mugo

Um andere Oberwellenströme zu reduzieren, wird eine Phasenverschiebung durchgeführt. Beispielsweise besteht eine 24-Puls-Einheit aus einer Kombination von vier- bis sechspulsigen Vollweggleichrichterbrücken, die jeweils eine Phasenverschiebung von 15 Grad gegenüber anderen Gleichrichtereinheiten aufweisen. Dies wird durch den Einsatz von Phasenverschiebungstransformatoren ermöglicht, die die zusätzlich in Zickzack-Technik geschalteten Wicklungen trennen. Siehe Abbildung 3 unten.

Abbildung 3. Anschluss des Impulswandlers.Bild mit freundlicher Genehmigung von Simon Mugo

Beachten Sie die folgenden Bedingungen für die Oberwellenbeseitigung mit einem Sechspuls-Gleichrichter:

•Die in der Verbindung verwendeten Transformatoren haben die gleichen Streuimpedanzen und das gleiche Übersetzungsverhältnis.

•Die Last wird in gleiche Teile auf die verfügbaren Umrichter aufgeteilt.

•Alle Wandler haben ähnliche Zündwinkel.

•Der Phasenunterschied zwischen Transformatoren beträgt 60/N Grad, wobei N die Anzahl der Abschnitte ist

Die Gleichung für die charakteristische harmonische Reduktion kann wie folgt geschrieben werden:

H=kg±1

Wo

h ist die harmonische Ordnung des Systems, N ist die verfügbare Anzahl des sechspulsigen Gleichrichters, q ist 6×N und K ist eine ganze Zahl gegeben durch 1,2,3,…..,n

4. Serienreaktoren

In der Industrie werden Reihendrosseln seit langem in die Beherrschung von Kurzschlüssen integriert. Sie werden in der Schmelzindustrie, in Umspannwerken und in Stahlwerken eingesetzt. In der Industrie werden Reihendrosseln manchmal perfekt zur Dämpfung von Oberschwingungen eingesetzt.

Die nichtlinearen Stromwellenformen weisen harmonische Verzerrungen auf. Durch den Einsatz von Netzdrosseln wird die Anzahl der Einschaltströme begrenzt, die in die Antriebsgleichrichter gelangen. Dadurch wird der Spitzenstrom reduziert, die Wellenform abgerundet und die harmonische Verzerrung minimiert. die Verzerrung des Stroms wird auf ca. 30 % reduziert. Wenn die Stromverzerrung stark ist, verzerrt sie auch die Versorgungsspannung des Systems. Wenn das System zu viel Oberschwingungsstrom ableitet, führt dies zu einer flachen Spitze in der Wellenform der Spannung. Die Einführung einer Drossel ist eine Möglichkeit, die Zusammensetzung des Stroms zu steuern und auf diese Weise die harmonische Verzerrung der Spannung zu reduzieren. Siehe Abbildung 4 unten.

Abbildung 4. Serien- und shuntkompensiertes Getriebesystem.Bild mit freundlicher Genehmigung vonMathWorks

5. Phasenausgleich

Schwankungen der einphasigen elektrischen Lasten können zu einem Ungleichgewicht des Stroms in den dreiphasigen Leitern führen, was zu einem unterschiedlichen Spannungsabfall führt, der eine unausgeglichene Phase-zu-Phase-Spannung induziert.

Diese unsymmetrische Phase-zu-Phase-Spannung stellt eine Gefahr für den Verteilungseinspeiser dar, insbesondere wenn unzureichende Maßnahmen zur Kompensation der Streuspannung vorhanden sind. Ein perfekt ausgeglichenes System ist schwer zu erreichen, aber versuchen Sie immer, die Phasen so gut wie möglich auszugleichen, wodurch Oberwellen reduziert werden.

Unsymmetrie der Phasenspannung

Um die Unsymmetriespannung am effizientesten zu bestimmen, muss man wissen, wie man sie berechnet.

Berechnen Sie zunächst die Abweichung mithilfe der folgenden Formel:

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Wenn das System in einer unausgeglichenen Phase arbeitet, passiert Folgendes:

•Überhitzung der Kabel aufgrund unausgeglichener Leitungsströme.

•Fehlender Schutz der Leitungsschutzschalter (MCB), Motorschutzschalter (MCCB), Sicherungen usw.

•Störungen in den unterirdischen Kabeln.

Der Phasenausgleich führt zu einer gleichmäßigen Lastverteilung auf die dreiphasigen Stromleitungen des Systems. Wenn das System unausgeglichen ist, kommt es zu einer falschen Nutzung des Einspeisekondensators für den zukünftigen Lastbedarf des Systems. Durch einen guten Stromausgleich wird die zusätzliche Strombelastung der überlasteten Leitung oder Phase beseitigt und auf die unterbelastete Leitung oder Phase übertragen, wodurch Raum für zukünftige Nachfrage geschaffen wird. Der Phasenausgleich verbessert außerdem die Einspeisekapazität und Spannungsqualität des Systems und reduziert Verluste. Siehe Abbildung 5 unten, ein Diagramm für eine grundlegende symmetrische dreiphasige Stromversorgung.

Abbildung 5. Grundprinzip symmetrische 3-Phasen-Stromversorgung.Bild mit freundlicher Genehmigung von Simon Mugo

6. Gruppierung laden

Viele Stromnetze weisen nichtlineare Lasten mit unterschiedlichem Frequenzspektrum auf. Die Gruppierung dieser Lasten in Klassen mit ähnlichem Oberwellenspektrum optimiert Standort, Installation, Dimensionierung und Auswahl der Oberwellenfilter.

In einem Stromnetz können verschiedene elektrische Verbraucher auftreten – ohmsche, induktive und kapazitive Lasten –, die jeweils unterschiedliche Oberschwingungsanteile in das Stromnetz einspeisen. Diese Verbraucher finden in verschiedenen Sektoren Anwendung. Im privaten Haushalt wird nur wenig Strom verbraucht. Auch Gewerbe, Industrie und Kommunen nutzen Strom. In all diesen Bereichen fallen unterschiedliche Oberschwingungen an. Um die Ausbreitung von Oberschwingungen zwischen den Sektoren zu reduzieren, können diese Bereiche klassifiziert werden.

Wir haben unterschiedliche Lasten, die unterschiedliche Arten von Spannungen verbrauchen. Einige verbrauchen 208 V, andere 120 V, einige 240 V usw., und diese Lasten müssen gut gruppiert werden. Siehe das Spannungsverbrauchssystem in Abbildung 6 unten, das unterschiedliche Strombelastungen aufweist.

Abbildung 6. 120/240 V, 3-phasig, 4-Leiter, offenes Dreiecksystem.Bild mit freundlicher Genehmigung von Simon Mugo

Erkenntnisse zur Reduzierung von Oberschwingungen

In dem Artikel werden die sechs Techniken vorgestellt, die Ingenieure zur Minimierung von Oberschwingungen in Energiesystemen einsetzen können. Dazu gehören:

•Die Netzumstrukturierung trägt zur Reduzierung von Oberschwingungen bei. Dabei werden die Benutzer, die große Oberschwingungen erzeugen, identifiziert und nach der Art der von ihnen erzeugten Oberschwingungen kategorisiert.

•Eine höhere Steifigkeit des Versorgungsnetzes bedeutet einen robusteren elektrischen Versorgungsknoten, der das Verhältnis zwischen Kurzschlussstrom und Laststrom beschreibt. Je steifer das Wechselstromnetz ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kurzschlussschutz verfügbar ist.

•Durch den Einsatz von Mehrpulsumrichtern zur Oberwellenunterdrückung mittels Halb- und Vollwellenumrichtern lassen sich Oberwellen eliminieren. Hierbei ist der Sechspulsumrichter der am häufigsten verfügbare Mehrphasenumrichter.

•Serienreaktoren minimieren Oberschwingungen in Schmelz- und Stahlwerken.

•Phasenausgleich ist eine weitere geeignete Methode zur Minimierung von Oberwellen. Denken Sie daran, dass eine unausgeglichene Phase eine Quelle von Oberwellen ist.

•Bei der Lastgruppierung werden ähnliche Lasten zusammengefasst. In elektrischen Systemen treten nichtlineare Lasten mit unterschiedlichem Spektralgehalt auf, und die Gruppierung dieser Lasten erleichtert die Auswahl und Dimensionierung von Oberwellenfiltern.