05 Naponske Prilike i Kvaliteta Elektricne Energije

RAZDJELNE MREE I DISTRIBUIRANA PROIZVODNJA

Odravanje naponskih prilika u razdjelnim mreama

Kvaliteta opskrbe elektrinom energijom

Idealno, sinusoidalni valni oblik stalne magnitude i frekvencije

Kvaliteta elektrine energije je pojam koji oznaava koliko je stvaran valni oblik blizu idealnom

Visok stupanj kvalitete elektrine energije -> siguran i uinkovit pogon troila

Nizak stupanj kvalitete elektrine energije -> smanjenje ivotnog vijeka troila, sniena uinkovitost pogona


Posljedice loe kvalitete elektrine energije: neoekivani ispad napajanja (okidanje prekidaa,

osiguraa) Kvar opreme Pregrijavanje transformatora i motora koje smanjuje

ivotni vijek opremeOteenje osjetljive opreme (osobna raunala,

proizvodni procesi i sl.) Poveani gubici u sustavu Potrebno predimenzionirati elemente mree Poveane emisije CO2

Harmonika distorzija

THD Total Harmonic Distorsion

Udio viih harmonika naruava sinusoidu

Flickeri (treperenje)

Definicija prema IEC: Impression of unsteadiness of visual sensation induced by a light stimulus whose luminance or spectral distribution fluctuates with time

Promjene napona uzrokuje promjenu svjetline arulja, ime nastaje vizualni poremeaj zvan flicker

Flickeri

Pst = 1 -> flickeri smetaju 50% ispitanika


trite elektrinom energijom zahtjeva da se kvaliteta elektrine energije (eng. powerquality) promatra kao kvaliteta usluge (eng. quality of service) odnosno kao kvaliteta opskrbe elektrinom energijom (eng. qualityof electricity supply)

Komponente kvalitete opskrbe elektrinom energijom

stalnost isporuke (SAIDI i SAIFI)

kvaliteta napona

zbrojtrajanjasvihprekida

ukupnibrojkupaca

ukupnibrojsvihprekida

ukupnibrojkupaca

Preporuke,norme,standardi

EN 50160 Kvaliteta napona u razdjelnim (distribucijskim) mreama u normalnom pogonu.

IEC 61000-3-2 Preporuka IEC 61000-3-2 daje doputene emisije strujnih harmonika za optereenja od In16 A po fazi koji se prikljuuju na niskonaponsku razdjelnu elektroenergetsku mreu

IEC 61000-3-4 Ova preporuka slui distributeru da procijeni troila to se tie emisije viih harmonika, te da

odlui da li su troila prikladna za prikljuak na elektroenergetsku mreu, gledano s aspektaharmonikog izoblienja. Preporuka daje doputene emisije strujnih harmonika za teretenazivnih struja veih od 16 A, koji se prikljuuju na niskonaponsku razdjelnu elektroenergetskumreu.

IEC 61000-3-6 Preporuka IEC 61000-3-6 daje principe kojima se treba voditi prilikom odreivanja uvjeta

prikljuenja kupca s velikim teretima koji bi mogli izazvati harmonika i meuharmonikaizoblienja u srednje i visokonaponskoj elektroenergetskoj mrei na koju se prikljuuju.

IEEE 519 Preporuka IEEE 519 (Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric

Power Systems) je ameriki standard po pitanju viih harmonika i kvalitete elektrine energijeopenito na svim naponskim razinama, od niskog napona pa sve do napona veih od 161 kV

EN 50160

Preporuka EN 50160 promatra kvalitetu napona uelektrodistribucijskim mreama u sluaju normalnog pogonskogstanja. Ona ne vrijedi za vrijeme kvarova u sustavu ili kad seprovode mjere privremene opskrbe.

Preporuka daje kvantitativne odlike kvalitete napona. Svrha jojje opisati i utvrditi obiljeja distribucijskog napona. Parametri kojipo EN 50160 karakteriziraju kvalitetu napona su: mrena frekvencija, veliina opskrbnog napona, jakost treperenja (flikeri), propadi napona, prekidi napona, kratkotrajni prenaponi, nesimetrija napona, naponi viih harmonika i naponi meuharmonika.

dozvoljeni pad napona u redovnom pogonu - 5% dozvoljeni pad napona u izvanrednom pogonu - 8% zanemarujui kapacitet i induktivitet koritenjem metode

momenta optereenja postie se zadovoljavajua tonost

n

ij

njijj

ijjj

nii

sK

ssdd

KU

dPU

3701

','

,1

2,2

',1

,2Pi - optereenje u voritu i [kW]U - pogonski napon [kV]dij - duljina voda izmeu vorita i i j [m]dij - nadomjesna duljina [m]sn - tipski presjek kabela [mm2]sij - stvarni presjek voda [mm2]sij- nadomjesni presjek voda [mm2]

sij=sij za Al vodiesij=sij*57/37 za Cu vodie

Proraun pada napona(metoda momenta optereenja)

Zadatak 1.

Regulacija napona u mreama

uzduna utjee na promjenu napona po iznosu primjenjiva u zrakastim mreama (pogonski otvorenim) -

karakteristino za distribucijske mree

poprena utjee na promjenu faznog kuta napona primjenjiva u zamkastim mreama (pogonski

zatvorenim) karakteristino za prijenosne mree

Principi odravanja napona

dimenzioniranjem mree uteda na instalacijama ureaja za regulaciju

napona

ugradnjom ureaja za regulaciju napona uteda na investicijama u mreu uteda na gubicima u pogonu kvalitetniji pogon

Dimenzioniranje mree

promjena presjeka vodia promjena pogonskog napona promjena strukture mree

Djelovanje ureaja za regulaciju napona

na generatoru promjenom uzbude na transformatoru promjenom broja zavoja na vodu promjenom parametara voda kod troila promjenom jalove snage

Elementi EES-a koji utjeu na jalovu snagu

Transformatori su potroai jalove snage U praznom hodu troe jalovu snagu u iznosu oko

1% nazivne prividne snage, dok pri punom optereenju potronja jalove snage dostie i do 10% nazivne

Naime, u praznom hodu jalova snaga se koristi za magnetiziranje magnetske jezgre, dok pri optereenju nastaju gubici jalove snage na rasipnim induktivitetima transformatora

Elementi EES-a koji utjeu na jalovu snagu

Vodovi i kabeli posjeduju znaajne vlastite kapacitete i induktivitete, tako da i oni troe ili proizvode jalovu snagu

Pri odreenom optereenju voda pri stalnom naponu, proizvodnja i potronja jalove snage samog voda bit e jednake, tako da on nee niti troiti niti davati jalovu snagu

Ta snaga optereenja zove se prirodna snaga voda

Regulacija jalove snage

Ureaji koji se ugrauju u elektroenergetski sustav sa svrhom regulacije jalove snage su:

sinkroni kompenzatori, kondenzatorske baterije, prigunice, statiki VAR kompenzatori i FACTS ureaji.

Regulacija napona na transformatoru

regulacijski transformator promjenjivi prijenosni omjer regulacija napona regulacijskim transformatorom2 izvedbe

s premjetaem (engl. off-circuit tap changer ili no-load tap changer)

s regulacijskom sklopkom (engl. on-load tapchanger skraeno OLTC)

Regulacijska sklopka

regulacija napona pod optereenjem promjena prijenosnog omjera - napona promjena tokova snaga i bolja iskoristivost vaan dio opreme (96% transformatora iznad

10 MVA u Njemakoj posjeduje OLTC)

Regulacijska sklopka

neprekinut tok struje tereta teretna preklopka

prijelaz sa jednog na drugi otcjepsmanjenje struje prijelaznim otporom

birabiranje poloaja bez prekida struje

2 izvedbe: teretna preklopka-bira teretni bira

Princip rada teretne preklopke

Upravljanje regulacijskim sklopkama

runo elektromotorni pogonautomatski regulatori naponaelektromehanikipoluvodiki naponski relejidigitalni

odravanje podeenog izlaznog napona vrijeme zatezanja, postavljanje granica

Digitalni regulatori napona

Postavke granica napona regulatora napona

problem prijenosa jalove energije u ees-u zbog troila koja rade s malim faktoromsnage

poveani pad napona, poveani gubici snage, poveano dimenzioniranje vodia, poveaniiznosi izdvajanja za jalovu energiju

Kompenzacija jalove energije-uvod

utjecaj faznog pomaka izmeu struje i napona navrijednosti snage u krugu izmjenine struje najlake jerazmatrati na grafikom prikazu trenutnih vrijednostisnaga u toku jedne periode

vremenski dijagram snage za strujni krugs radnim otporom - struja i napon su u fazi(cos =1)

trenutne snage su pozitivnog iznosa u intervalu vrijednosti [0,Pmax], gdje je P srednja vrijednost snage u toku jedneperiode

snaga preuzeta iz mree sva se pretvarau koristan rad - korisna ili radna snaga

Kompenzacija jalove energijeosnovni pojmovi (2)

vremenski dijagram snage zastrujni krug koji posjedujesamo induktivitet (struja kasniza naponom za 90o)

vremenski dijagram snage zastrujni krug koji posjedujesamo kapacitet (strujaprethodi naponu za 90o)


1. u oba prethodna sluaja cos =02. trenutne vrijednosti snaga kreu se izmeu +/- Smax3. troilo u intervalima pozitivnog predznaka snage uzima

energiju iz mree i energija se pretvara u energijumagnetskog polja

4. u intervalima negativnog predznaka snage, energija se vraa u mreu

5. srednja snaga tijekom jedne periode je nula (0)6. snaga oscilira unutar kruga generator-troilo i ne vri

koristan rad - jalova ili reaktivna snaga


vremenski dijagram snage zastrujni krug koji osim induktivitetaposjeduje i radni otpor

trenutne vrijednosti snage imaju pozitivne i negativne vrijednosti s tim da su intervali pozitivne snage vei od intervala negativnesnage - postoji radna komponenta snage koja je uvijek pozitivna


intervali negativne snage su vei kod veeg faznogpomaka izmeu struje i napona

troilo u takvim sluajevima iz mree uzima veu snagunego to je potrebna za vrenje korisnog rada - izmree se uzima jalova snaga

ukupna snaga koju troilo uzima iz mree zove se prividna snaga

trokut snaga


odnos izmeu radne i prividne snage naziva se faktorsnage - cos - to je vei uz odreeni iznos radnesnage prenosi se manji iznos jalove snage

radna snaga

SPcos

jalova snaga

coscos IUSP

sinsin IUSQ


snaga nesinusoidalnih veliinaako se frekvencija strujerazlikuje od frekvencijenapona

prikazano je meusobnodjelovanje osnovnog valanapona u1 i treeg harmonikastruje i3

radna snaga za vrijeme jedneperiode jednaka je nuli


uz pretpostavku nesinusoidalne veliine struje, to je u realnim mreama gotovo uvijek ostvareno, za radnusnagu vrijedi odnos:

11 cos IUPI1 je efektivna struja osnovnog

harmonika1 je fazni pomak izmeu

napona U i struje I1

prividna (S1) i jalova snaga (Q1) takoer su definiraneza osnovni harmonik


zbog svoenja rauna na sinusoidalne veliine osnovnogharmonika uvodi se nadomjesni faktor:

1cos gSP cos 1 je faktor snage osnovnog

harmonika

g je faktor koji predstavlja udio osnovnog harmonika u nesinusoidalnoj struji

...2322

21

1

IIIIg


osim prikljuenih troila jalovu energiju troe i pojedinielementi ees-a - transformatori i vodovi

nadomjesna shema transformatora

Kompenzacija jalove energijetransformator (1)

22

22

2

n

Cuk

n

Cu

n

nT S

PujUP

SUZ

2

020n

Fe

n

Fe

n

n

SPij

SP

USY


u svrhu promatranja potrebe za kompenzacijom dovoljno je tonoraunati samo s reaktancijama odnosno admitancijamatransformatora, pa je tada ukupna jalova snaga transformatora

tnq XjIYjUQQQ 2020 kn umijSQ 20

nn SS

IIm

transformator u praznom hodu troi relativno malo jalove snageQ0, a pri optereenju potroak jalove snage Qq raste s kvadratomstruje optereenja


gubici jalove snage se u vodu promatraju preko gubitakau uzdunoj grani (strujno ovisni) i gubitaka u poprenojgrani (naponsko ovisni)

Kompenzacija jalove energijevodovi (1)

za poprenu granu vrijedi:

CULIjQQQ nPU 223

LIjQU 23za uzdunu granu vrijedi:

ukupna jalova snaga voda iznosi:

CjUQ nP 2

Kompenzacija jalove energijevodovi (2)

posljedice tokova jalovih snaga kroz elementemree mogu se opisati:

1. dodatnim padovima napona2. poveanim gubicima3. nunou dimenzioniranja elemenata mree

za poveanu prividnu snagu

Kompenzacija jalove energijetokovi jalovih snaga

Kompenzacija jalove energijeprincipi kompenzacije

s obzirom na mjesto ugradnje izvora jalove energijekompenzacija moe biti izvedena kao:pojedinana kompenzacija,grupna kompenzacija i centralna kompenzacija

koristi se kod troila vee ili velike snages veim brojem pogonskih sati (motoricrpki ili kompresora, transformatori, indukcione pei,...)

1. zahtjeva veu snagu kondenzatora, jer se oni dimenzioniraju s obzirom na punu snagu troila koje se kompenzira,

2. izostaju ureaji za iskljuivanje,3. izostaje prijenos jalove snage, jer se troi na mjestu proizvodnje,4. nije potreban ureaj za regulaciju kompenzacije

Kompenzacija jalove energijepojedinana kompenzacija

grupa troila se kompenzira zajednikim kompenzatorom ili grupom kondenzatora

pogodna za grupe manjih motora

zahtjeva manju snagu kond. nego pojedinana komp. mrea je djelomino rastereena prijenosom jalove snage potrebni ureaji za ukljuivanje kondenzatora

Kompenzacija jalove energijegrupna kompenzacija

industrijsko postrojenje ili vei broj troila koji se napajaju iz jedne TS kompenziraju se iz jednog, centralnog mjesta

potrebna najmanja ukupna snaga kondenzatora djelomino rastereena mrea potrebni ureaji za ukljuivanje potrebni ureaji za automatsku kompenzaciju jalove snage

Kompenzacija jalove energijecentralna kompenzacija

s obzirom na nain spajanja dodatnih izvora jalove energije danas se u praksi susreu:

paralelna kompenzacija

serijska kompenzacija kombinirana kompenzacija

efekti koji se postiu kompenzacijom1. kompenzacijski efekt koji se sastoji u popravku faktora

snage i smanjenju gubitaka elektrine energije,2. regulacijski efekt koji se sastoji u smanjenju pada napona3. poveanje propusne moi vodova

Kompenzacija jalove energijenain spajanja

snaga ureaja za kompenzaciju: CUQc 22potrebna snaga kondenzatora se odreuje na bazi srednjesnage u promatranom razdoblju:

k

rsr t

WP Wr - radna energija unutar vremena Ttk - broj sati koji ureaj za komp. korisno djeluje

Kompenzacija jalove energijeparalelna kompenzacija (1)

potrebna snaga ureaja za kompenzaciju tada iznosi:

kVA ' tgtgPQ src

r

j

WW

tg prosjeni faktor snage definiran je kao:


gubitak snage prije kompenzacije odreen je izrazom:

RU

QPPg 22

22

dok nakon kompenzacijeiznosi:

RU

QQPP cg 22

22'

razlika je gubitaka: kW 2 22

' RU

QQQPPP ccggg


pad napona prije kompenzacije odreen je izrazom:

XIIRU j

dok nakon kompenzacije iznosi: XIIIRU cj 'razlika je:

CXUXIUUu c '


Kompenzacija jalove energijeserijska kompenzacija (1)

CIjUc

ukupna struja tereta I tee kroz kondenzator i stvarapad napona

pri emu je gubitak snage na kondenzatoru:

CIjQc

2


2UQXPRXIRIUU Ljru

ukupni pad napona prije kompenzacije iznosi:

dok je nakon kompenzacije:

2

'U

XXQPRXXIRIU cLCLjr

odnosno dobitak je:

CCj XUQXIUUu

2

' 22 U

XtgPcU

XQcu LL ako se uzme c=Xc/XL

stupanj serijske kompenzacije odreen je dozvoljenim ili eljenimpadom napona


XQRPUtgPPRR

UUtgPPR

UQPPg

222

1

222

22

21

222

22

22

22

22

2

gubitak snage prije kompenzacije jednak je:

uz zanemarenje U2 i uzimajui da je U1/U2=1 nakonkompenzacije gubici iznose

nakon sreivanja razlika gubitaka iznosi:

cXQRPUtgPPRR

UUtgPPPg

12 222

1

222

22

21

222

22

2

222

' 2PQ

URQPPP Cggg uz 2

2

22

222

2 i UQPI

XIQc C



iz prethodnih jednadbi vidljivo je da efekt smanjenjagubitaka nije konstantan, ve se smanjuje poveanjemfaktora snage

kompenzacijski efekt poboljanja faktora snage ne dobiva se kao kod paralelne kompenzacije na raunsmanjenja jalove komponente struje, ve na raunpoboljanja naponskih prilika, odnosno smanjenjauzdune reaktancije voda

tangens kuta prije kompenzacije:

2

22

2

'2' 1

PXcIQ

PQtg tangens kuta nakon kompenzacije:

2

22

2 PXIQ

PQtg

to uz pretpostavku da je RL=0 uz Cmax=12

2max

'

PQtg

maksimalni faktor snage koji se moe postii serijskomkompenzacijom jednak je faktoru snage potroaa, toje u ees-u gdje se jalova snaga naplauje velikinedostatak ser. kompenzacije


ureaji za kompenzaciju su:

1. sinkroni motori (regulacija uzbudom istosmjerne struje)2. sinkroni kompenzatori3. kondenzatori

Kompenzacija jalove energijeureaji za kompenzaciju

razlikujemo dva sluaja: kompenzacija iz tehnikih razloga kompenzacija iz ekonomskih razloga

dozvoljena potronja jalove energije unutar mjesec danaiznosi:

rmrmjdm WtgWW 33.095.0arccos

jcmjdmjm WWW

ostatak se jalove energije obraunski naplauje ipredstavlja jalovu snagu koju treba kompenzirati, tako da je

kcjcm tQW

Kompenzacija jalove energijeodreivanje potrebne snage kond.

Zadatak 2.

Harmonijsko izoblienje napona i struje

Izvori harmonika

nelinearni tereti komutacijska napajanja - SMPS (engl. Switched Mode

Power Supply) Fluorescentna rasvjeta i pripadajue elektronike

priguniceMale jedinice neprekidnog napajanja Ureaji promjenjive brzine i Velike UPS jedinice

Harmoniki spektar SMPS

Harmoniki spektar fluoroscentne rasvjete

Problemi uzrokovani izoblienjima

Problemi uzrokovani harmonikom strujom su: struja u nul-vodiu utjecaji na transformator nepotrebna prorada prekidaa preoptereenje baterija za popravak faktora snage skin efekt

Problemi uzrokovani harmonikim naponom: izoblienje napona problemi u radu asinkronih motora nepravilan rad elektronikih upravljaa

Mjere smanjenja harmonika

poveanje presjeka nul-vodia pasivni filteri serijski spoj kondenzatora i zavojnice ugraen

paralelno sustavu aktivni filteri DSP analizator energetska elektronika za proizvodnju harmonike

struje nelinearnih tereta uklanjaju vie harmonika ne mogu ui u rezonantni rad sa sustavom

Zadatak 1.

Zadatak 2.

Pitanja i diskusija

Documents

05 Naponske Prilike i Kvaliteta Elektricne Energije