Werktitel Subwerktitel

Faculteit Ingenieurswetenschappen Departement Elektrotechniek – ESAT KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN

Werktitel Subwerktitel

Eindwerk voorgedragen tot het behalen van het diploma van Burgerlijk werktuigkundigelektrotechnisch ingenieur, richting elektrotechniek, optie energie

Bjorn Herteleer Michael De Pauw Promotor:

Prof. dr. Ronnie Belmans

Dagelijkse begeleiding:

Patrik Buijs

2008 – 2009

c Copyright K.U.Leuven

Zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van zowel de promotor(en) als de auteur(s) is overnemen, kopiëren, gebruiken of realiseren van deze uitgave of gedeelten ervan verboden. Voor aanvragen tot of informatie i.v.m. het overnemen en/of gebruik en/of realisatie van gedeelten uit deze publicatie, wend U tot de K.U.Leuven, Departement Elektrotechniek – ESAT, Kasteelpark Arenberg 10, B-3001 Heverlee (België). Telefoon +32-16-32 11 30 & Fax. +32-16-32 19 86 of via email: [email protected]. Voorafgaande schriftelijke toestemming van de promotor(en) is eveneens vereist voor het aanwenden van de in dit afstudeerwerk beschreven (originele) methoden, producten, schakelingen en programma’s voor industrieel of commercieel nut en voor de inzending van deze publicatie ter deelname aan wetenschappelijke prijzen of wedstrijden.

c Copyright by K.U.Leuven

Without written permission of the promotors and the authors it is forbidden to reproduce or adapt in any form or by any means any part of this publication. Requests for obtaining the right to reproduce or utilize parts of this publication should be addressed to K.U.Leuven, Departement Elektrotechniek – ESAT, Kasteelpark Arenberg 10, B-3001 Heverlee (Belgium). Tel. +32-16-32 11 30 & Fax. +32-16-32 19 86 or by email: [email protected]. A written permission of the promotor is also required to use the methods, products, schematics and programs described in this work for industrial or commercial use, and for submitting this publication in scientific contests.

i

Voorwoord Dank u mama, dank u papa, en dankuwel mijn lief.

ii

Abstract 1 tot twee bladzijden over uw thesis

iii

Inhoudsopgave Voorwoord Abstract Inhoudsopgave Lijst van symbolen Lijst van figuren Lijst van tabellen 1 Inleiding 2 Literatuurstudie m.b.t. het bepalen van de brekingen 3 Literatuurstudie m.b.t. het bepalen van de 3.1 Parameters spanningsdips . . . . . . . . . . 3.2 Karakteriseren van spanningsdips . . . . . . 3.3 Bepalen van de kostprijs van spanningsdips 3.4 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Mitigatiemiddelen 4.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Mitigatiemiddelen . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Sectoraal gebruik mitigatiemiddelen . . . . 5 Netversterkingen 5.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Netversterkingen . . . . . . . . . . . . . . . 6 Opbouw model trade-off 6.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Het 14-busnetwerk . . . . . . . . . . . . . . 6.3 De fouten-analyse . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 De economische analyse . . . . . . . . . . . 6.5 Besluiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Besluit Bibliografie

iv

ii iii iv v vi vii 1 kostprijs van spanningsonderkostprijs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

van spanningsdips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

2 3 3 5 12 17 18 18 18 28 30 30 30 31 31 31 31 32 32 33 34

Lijst van symbolen ASD

Adjustable Speed Drive, pag. 15 .

CV T

Constant Voltage Transformer, pag. 21 .

DV R

Dynamic Voltage Restorer, pag. 23 .

F ACT S

Flexible Alternating Current Transmission System, pag. 30 .

IT I

Information Technology Industry Council, pag. 15 .

pu

per unit, pag. 3 .

RM S

Root Mean Square, pag. 3 .

T SO

Transmission System Operator, pag. 30 .

V SC

Voltage Source Converter, pag. 23 .

V SD

Variable Speed Drive, pag. 19 .

D-ups

Diesel Uninteruptable Power Supply, pag. 25 .

SMES

Superconduction Magnetic Energy Storage, pag. 25 .

UPS

Uninterruptible Power Supply, pag. 24 .

v

Lijst van figuren 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 4.1 4.2 4.3 4.4

Invloed van de oorzaak van een spanningsdip op de karakteristieken van die dip [1] Spanningsdip ten gevolge van een niet symmetrische fout: links de golfvorm, rechts de RMS-spanning [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spanningsdips ten gevolge van een driefasige fout: bovenaan links de golfvormen, bovenaan rechts de RMS- spanningen en onderaan de fasehoeken [2] . . . . . . . . Definitie residuele spanning en duur van een dip [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . Karakterisatie spanningsdip door middel van verschillende drempelwaarden [3] . . Dip A [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dip B [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dip C [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dip D [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dip E [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dip F [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dip G [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht netonderzoek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gevoeligheidscurven [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Basis schakelschema van een CVT [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergelijking tussen de kost van mitigatiemiddelen per te beschermen kVA voor spanningsdips in functie van het te beschermen vermogen [6] . . . . . . . . . . . . Principeschema magnetische synthesizers [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkingsprincipe actieve serie compensatoren [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

4 5 6 7 8 9 9 10 11 11 12 13 14 16 21 22 23 23

Lijst van tabellen 4.1 4.2

Kosten mitigatiemiddelen in de verschilllende vermogenbereiken (in d/kVA) . . . . Overzicht welke mitigatiemiddelen in welke sector gebruikt worden . . . . . . . . .

vii

27 29

Hoofdstuk 1

Inleiding

1

Hoofdstuk 2

Literatuurstudie m.b.t. het bepalen van de kostprijs van spanningsonderbrekingen

2

Hoofdstuk 3

Literatuurstudie m.b.t. het bepalen van de kostprijs van spanningsdips In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van wat in de literatuur beschikbaar is omtrent het bepalen van de kostprijs van spanningsdips. Eerst zal kort een overzicht gegeven worden van de parameters die wijzigen bij het optreden van een spanningsdip. Hierna volgt een overzicht van de manieren waarop spanningsdips gekarakteriseerd worden. Tot slot volgt een overzicht van de methodes die in de literatuur beschreven worden om de kosten van spanningsdips te bepalen. Van deze methodes zal in hoofdstuk 6 gebruik gemaakt worden om een afweging te maken tussen mitigatiemiddelen en netversterkingen.

3.1

Parameters spanningsdips

Een spanningsdip is een daling van de RMS-waarde van de spanning tussen 0,1 en 0,9 pu en dit voor een periode van minimaal een halve cyclus [4]. Spanningsdips kunnen zeer veel oorzaken hebben maar de belangrijkste zijn: kortsluitingen en aardfouten, starten van inductiemotoren en het inschakelen van transformatoren. De meest voorkomende oorzaak van spanningsdips zijn echter fouten. In figuur 3.1 is te zien dat de verschillende oorzaken van spanningsdips tot dips met andere parameters zullen leiden. De belangrijkste parameters die een dip beschrijven zijn de diepte en de duur. Deze twee grootheden worden ook vermeld in de IEC 61000-4-30 norm en in de hierop gebaseerde NBN EN 50160 norm [8, 2]. Naast deze twee grootheden worden in de literatuur nog parameters ingevoerd, hoofdzakelijk omdat het gedrag van belastingen tijdens dips niet volledig kan verklaard worden door de diepte en de duur van een dip alleen. De bijkomende parameters zijn de sprong in fasehoek, driefasige onbalans en point in the wave. Elk van bovengenoemde parameters wordt hieronder kort toegelicht.

3.1.1

Diepte van de dip

De diepte van de dip is samen met de duur één van de belangrijkste parameters voor een spanningsdip. Omtrent de diepte van een spanningsdip zijn echter wel enkele opmerkingen te formuleren. Ten eerste is het zo dat de diepte van een spanningsdip niet constant hoeft 3

3. Literatuurstudie m.b.t. het bepalen van de kostprijs van spanningsdips

100 %

verwijderde MS-netten

80%

starten van motoren

Residuele spanning

transmissienet transmissienetwerk

50%

zekeringen

nabije MS-netten

onderbrekingen 0%

0,1 sec

1 sec

Duur van de dip

Figuur 3.1: Invloed van de oorzaak van een spanningsdip op de karakteristieken van die dip [1]

te zijn gedurende een dip. Verder is het ook zo dat een spanningsdip in het algemeen een driefasig fenomeen is. De diepte van de dip hoeft dan ook niet gelijk te zijn in de drie fasen. Zowel het niet constant zijn van de diepte van een spanningsdip als het niet gelijk zijn van een spanningsdip in de drie fasen wordt ge¨ıllustreerd in figuur 3.2.

3.1.2

Duur van de dip

Naast de diepte is de duur de meest gebruikte parameter om een dip te karakteriseren. Ook hier geldt dat de duur in de drie fasen niet gelijk hoeft te zijn. Indien de oorzaak van een dip een fout is op een bepaald netelement dan komt de duur van de dip in veel gevallen overeen met de uitschakeltijd van de beveiliging van het netelement waarop de fout aanwezig is. Conventioneel zit de duur van een dip tussen 10 ms en 1 min, dit volgens [8] welke door de Belgische netbeheerder gehanteerd wordt als de norm voor wat betreft power quality. 4

Spanning [kV]

Spanning [kV]

Karakteriseren van spanningsdips

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Figuur 3.2: Spanningsdip ten gevolge van een niet symmetrische fout: links de golfvorm, rechts de RMS-spanning [2]

3.1.3

Sprong in fasehoek

Aangezien zowel de impedanties in het net als de foutimpedantie complexe grootheden kunnen zijn, bestaat de kans dat de foutimpedantie een andere fasehoek heeft dan de bronimpedantie [9] en er bij een fout een fasesprong optreedt. Sommige apparatuur is hier gevoelig aan. Een voorbeeld hiervan zijn DC-motoren die gevoed worden door een thyristorbrug. Bij een thyristorbrug wordt de ontsteekhoek van de thyristoren namelijk bepaald door de nuldoorgang van de spanning. Een voorbeeld van een grote fasesprong ten gevolge van een driefasige fout in een distributienet is te zien in figuur 3.3.

3.1.4

Driefasige onbalans

Een- of tweefasige fouten kunnen leiden tot een onbalans in het driefasig spanningssysteem en deze onbalans kan door transformatoren heen getransformeerd worden. Afhankelijk van de schakeling van de transformatoren zal men vertrekkende van dezelfde fout een verschillende dip verkrijgen [10].

3.1.5

Point in the wave

Voor sommige apparatuur is ook het ogenblik in de sinusgolf waarop de dip start en eindigt van belang voor het gedrag van deze apparatuur. Een contactor is een voorbeeld van een apparaat dat hieraan gevoelig is.

3.2


Gezien het feit dat een spanningsdip een vrij ruim begrip is met een heel aantal parameters die kunnen variëren, is het belangrijk een spanningsdip te karakteriseren. In de literatuur kunnen volgende methodes om een spanningsdip te karakteriseren terug gevonden worden. 5

Spanning [kV]

Spanning [kV]


Tijd [cycli]

Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli] Figuur 3.3: Spanningsdips ten gevolge van een driefasige fout: bovenaan links de golfvormen, bovenaan rechts de RMS- spanningen en onderaan de fasehoeken [2]

3.2.1

Karakterisatie enkel gebruik makend van een diepte

De diepte van de dip wordt door de IEC 61000-4-30 norm gedefinieerd als de laagste waarde van de spanning gedurende het incident. De diepte van de dip wordt dikwijls als een percentage van de spanning voor de dip of van de nominale spanning aangegeven. Bij een driefasige dip vermeldt men meestal de diepste dip in de drie fasen.

3.2.2

Karakterisatie gebruik makend van ´ e´ en diepte en ´ e´ en duur

Hier wordt gebruik gemaakt van de RMS-spanning om de residuele spanning en een maximale duur van de dip te bepalen (zie figuur 3.4). De duur van de dip wordt meestal gedefinieerd als de duur dat de spanning onder een bepaalde daling zit (typisch min 10 procent). Deze twee kengetallen karakteriseren dan de dip. In een driefasig systeem wordt meestal die fase beschouwd waar de dip het langst duurt. Over het algemeen, en dan vooral in driefasige systemen, wordt de ernst van de dip door deze methode overschat. 6


Diepte van de dip [%]

drempelwaarde

residuele spanning duur van de dip

Tijd [ms]

Figuur 3.4: Definitie residuele spanning en duur van een dip [2]

3.2.3

Karakterisatie gebruik makend van verschillende dieptes en duren

Deze methode, naar voor gebracht in [3], maakt gebruik van een systeem van drempelspanningen en geeft per drempelspanning telkens aan hoe lang de spanning onder deze drempelwaarde zit. Deze methode is in tegenstelling tot de twee voorgaande wel in staat om een niet rechthoekige spanningsdip met enig detail te karakteriseren. Een illustratie van deze methode wordt gegeven in figuur 3.5. In deze figuur worden een aantal tijden aangegeven waarvoor de spanning onder een bepaalde drempelwaarde zit. Zo geeft bijvoorbeeld T80% de tijd aan dat de spanning onder 80% van de nominale spanning zit.

3.2.4

Bollen karakterisatie

M. Bollen karakteriseert spanningsdips door deze in te delen in verschillende dipklassen, deze karakterisatie wordt ook wel de ABC-classificatie genoemd. De dipklassen zijn rechtstreeks afgeleid van de oorzaak van de spanningsdip, namelijk van de fouten in het driefasige systeem en van de voortplanting van deze fouten door het net en dan vooral door de transformatorschakelingen. Op die manier worden zeven dipklassen (A-G) bekomen [2, 4]. Een nadeel van deze methode is dat ze vooral gebaseerd is op simulaties. Het bepalen van een dipklasse op basis van gemeten golfvormen is niet onmiddelijk mogelijk. Hieronder volgt een overzicht van de verschillende gedefinieerde dipklassen. 7

Spanning [%]


Meting eerste incident

100%

T80%

80%

T50%

50%

T10%

10% t1

t2 t3

t4

t5

Tijd

Figuur 3.5: Karakterisatie spanningsdip door middel van verschillende drempelwaarden [3]

3.2.4.1

Dip klasse A

Een driefase fout leidt tot dezelfde spanningsdip in de drie fasen. Dit fenomeen wordt in de ABC klassificatie aangeduid als een dip van klasse A. Een voorbeeld van een dip van klasse A wordt gegeven in figuur 3.6. De spanning bij een dip van klasse A daalt met een zekere waarde en er treedt geen fasesprong op.

3.2.4.2

Dip klasse B

Een eenfasige fout resulteert in een spanningsdip in de getroffen fase. De niet getroffen fasen kunnen een spanningsverhoging, een spanningsdaling of geen spanningsverandering verwachten. Welk effect precies optreedt hangt af van de verhouding tussen de directe en inverse bronimpedantie. Een voorbeeld van een dip van klasse B is te zien in figuur 3.7.

3.2.4.3

Dip klasse C

Een tweefasige fout resulteert in een spanningsdaling en een fasesprong voor beide getroffen fasen. De fasesprong in de twee getroffen fasen is even groot maar tegengesteld zoals te zien is in figuur 3.8. De derde fase wordt niet be¨ınvloed. 8

Spanning [pu]

Spanning [pu]


Tijd [cycli]

Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Spanning [pu]

Spanning [pu]

Figuur 3.6: Dip A [2]

Tijd [cycli]

Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Figuur 3.7: Dip B [2]

9

Spanning [pu]

Spanning [pu]


Tijd [cycli]

Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Figuur 3.8: Dip C [2]

3.2.4.4

Dip klasse D

Een dip van klasse D (zie figuur 3.9) wordt gekarakteriseerd door een grote spanningsdaling in een fase en een kleinere spanningsdaling in de twee andere fasen. Een dip van klasse D kan bekomen worden door de homopolaire component uit een dip van klasse B te verwijderen of door een dip van klasse C door een driehoek-ster-transformator te transformeren [2]. 3.2.4.5

Dip klasse E

Een dip van klasse E is net als de dips van klasse F en G het gevolg van een tweefasige aardfout. Een dip van klasse E bekomt men door een tweefasige aardfout op hetzelfde spanningsniveau als het spanningsniveau waarop de metingen worden uitgevoerd. Een dip van klasse E bevat net als een dip van klasse B een homopolaire component. Evenals bij een dip van klasse B wordt ook bij een dip van klasse E deze component bepaald door de verhouding tussen de homopolaire en de directe bronimpedantie. Een voorbeeld van een dip van klasse E wordt gegeven in figuur 3.10. 3.2.4.6

Dip klasse F

Door een dip van klasse E te transformeren door een driehoek-ster-transformator bekomt men een dip van klasse F. Net zoals bij een dip van klasse D wordt een dip van klasse F gekenmerkt door een grote spanningsdaling in een fase en een kleinere spanningsdaling in de twee andere fasen. De spanningsdaling in de twee andere fasen is bij een dip van klasse F echter groter 10

Spanning [pu]

Spanning [pu]


Tijd [cycli]

Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Spanning [pu]

Spanning [pu]

Figuur 3.9: Dip D [2]

Tijd [cycli]

Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Figuur 3.10: Dip E [2]

11

Spanning [pu]

Spanning [pu]


Tijd [cycli] Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Figuur 3.11: Dip F [2]

dan bij een dip van klasse D. Door figuur 3.9 met figuur 3.11 te vergelijken is te zien dat de fasesprong in de twee niet getroffen fasen kleiner is bij een dip van klasse F dan bij een dip van klasse D.

3.2.4.7

Dip klasse G

Door een tweefasig aardfout door een tweede driehoek-ster-transformater te transformeren bekomt men een dip van type G. Men bekomt dezelfde dip door de homopolaire component uit een dip van klasse E te verwijderen. Een dip van klasse G wordt gekarakteriseerd door een grote daling van de spanning in twee fasen en een kleinere daling van de spanning in de derde fase. De derde fase vertoont geen faseprong terwijl de eerste twee fasen een tegengestelde fasesprong vertonen die afhankelijk is van de verhouding tussen de homopolair en de directe component van de bronimpedantie [2]. Een voorbeeld van een dip van klasse G wordt gegeven in figuur 3.12.

3.3 3.3.1

Bepalen van de kostprijs van spanningsdips Rechtstreeks via een enquˆ ete

In vele gevallen wil men de kostprijs van spanningsdips bepalen in combinatie met de kost van spanningsonderbrekingen. In de meeste gevallen gebeurt de bepaling van de kost van spanningsonderbrekingen door middel van een enquête bij de verbruikers. Soms wordt in die 12

Spanning [pu]

Spanning [pu]

Bepalen van de kostprijs van spanningsdips

Tijd [cycli]

Hoek [graden]

Tijd [cycli]

Tijd [cycli]

Figuur 3.12: Dip G [2]

enquête eveneens rechtstreeks naar de kost van spanningsdips gevraagd naast een bevraging over spanningsonderbrekingen. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in [11] en [12]. Onrechtstreeks kan naar de kost van spanningsdips bij een verbruiker gepeild worden door in de enquête vragen op te nemen die peilen naar de investeringen in mitigatiemiddelen tegen spanningsdips die de verbruiker reeds gedaan heeft of van plan is te doen.

3.3.2

Via een netonderzoek

Een tweede manier om tot de kosten van spanningsdips bij een verbruiker te komen is gebaseerd op een meer fundamentele aanpak. Men zal namelijk via een onderzoek op het net waarop de verbruiker aangesloten is proberen achterhalen welke fouten op dit net tot dips zullen leiden bij de verbruiker in kwestie, hoeveel dips van elke categorie die verbruiker per jaar zal ervaren en wat hier uiteindelijk de kost van zal zijn. Deze methode zal in deze thesis gehanteerd worden om een afweging te maken tussen netinvesteringen en investeringen in mitigatiemiddelen (zie hoofdstuk 6). Als input heeft de methode nood aan vier groepen gegevens [13]. • De eerste groep van gegevens omvat de frequentie en de karakteristieken van de dips die bij de verbruiker in kwestie voorkomen. • De tweede groep gegevens omvat informatie omtrent de gevoeligheid voor spanningsdips van de apparatuur aangesloten bij de verbruiker. • Als derde input is informatie nodig omtrent het aantal toestellen dat deelneemt in industriële processen en hun interconnectie. • Tenslotte is informatie nodig omtrent de kostprijs van een uitval van de verbruiker in kwestie. 13


• gevoeligheidscurves historische gegevens net

netwerkmodel

foutenanalyse

• aantal aangesloten apparaten per categorie + interconnectie • kostprijs wegvallen proces

spanningsdipanalyse

economischeanalyse jaarlijkse kost t.g.v. spanningsdips

Figuur 3.13: Overzicht netonderzoek

Vanuit deze invalshoek bekeken gaat een onderzoek naar de kostprijs van spanningsdips dan ook verder dan een onderzoek naar de kostprijs van een spanningsonderbreking. De kostprijs van een spanningsonderbreking is namelijk een input voor de kostprijsbepaling van spanningsdips. Dit brengt met zich mee dat een onderzoek naar de kostprijs van spanningsdips best gekoppeld wordt aan een bevraging naar de kost van spanningsonderbrekingen bij de verbruikers. Om de kost van spanningsdips bij een verbruiker te kunnen bepalen wordt een kostprijsberekening opgedeeld in drie grote blokken. Achtereenvolgens zal een foutenanalyse, een spanningsdipanalyse en een economische analyse dienen uitgevoerd te worden om uiteindelijk tot een kostprijs te komen. Elk van bovengenoemde analyses worden hieronder kort toegelicht, een overzicht van de analyses wordt gegeven door figuur 3.13. 3.3.2.1

Foutenanalyse

De bedoeling van deze analyse is het bepalen van de gevoeligheid van een bepaald aansluitpunt voor spanningsdips door middel van netsimulaties. De analyse bestaat erin dat men, door op verschillende posities in het net (de zogenaamde foutposities) fouten te simuleren, bepaalt welke fouten in het net tot spanningsdips bij een verbruiker zullen leiden. De analyse dient te gebeuren voor zowel symmetrische als onsymmetrische fouten en dit voor alle foutposities in het net [14]. De simulatie gebeurt in de veronderstelling dat de eerste beveiliging die de fout ziet ook steeds zal ingrijpen. Op die manier komt men tot een overzicht van welke fouten in het net tot een spanningsdip zullen leiden op een bepaald aansluitpunt. 3.3.2.2

Spanningsdipanalyse

In een spanningsdipanalyse gaat men de informatie die men verkregen heeft uit de foutenanalyse koppelen aan historische gegevens van het net. De historische gegevens van het net bestaan in 14

Bepalen van de kostprijs van spanningsdips

wezen uit een oplijsting van het aantal fouten per netelement (netwerkbussen, lijnen, kabels en transformatoren) en per jaar die men statistisch gezien mag verwachten. Uit deze gegevens kan ook de duur van een bepaalde spanningsdip bepaald worden aangezien deze afhankelijk is van de uitschakeltijd van de beveiligingen in het netwerk. Men bekomt uiteindelijk een overzicht van welke dips en met welke frequentie een bepaald aansluitpunt op jaarbasis statistisch gezien zal ondervinden. 3.3.2.3

Economische analyse

De bedoeling van de economische analyse is de bepaling van de economische gevolgen van spanningsdips op een bepaald aansluitpunt in het netwerk. Om te bepalen of het aangesloten materiaal zal trippen, slecht zal werken of niets van de dip zal ondervinden is een vergelijking nodig van de te verwachten spanningsdip met de gevoeligheidscurve van de apparatuur aangesloten op die bepaalde bus. Voor deze analyse zijn dan ook een aantal bijkomende gegevens nodig namelijk: • De preciese gevoeligheid voor spanningsdips (gevoeligheidscurves) van de aangesloten apparatuur en een indeling van de apparaten per gevoeligheidscategorie • Het aantal aangesloten apparaten per categorie en de interconnecties tussen de verschillende apparaten in het industriële proces • De kostprijs van het wegvallen van het proces Gevoeligheidscurves aangesloten apparatuur Bij het achterhalen van de gevoeligheid van apparaten voor spanningsdips botst men op een tekort aan informatie. Voor de meeste apparaten die vaak in industriële installaties gebruikt worden ontbreekt het namelijk aan gevoeligheidscurves 1 . Een voorbeeld van een gevoeligheidscurve voor motorcontactors en ASD’s inclusief de CBEMA en de ITI curve wordt gegeven in figuur 3.14. De beste manier om de gevoeligheidscurve van een bepaald toestel te bekomen is deze opvragen bij de fabrikant van het apparaat. In veel gevallen beschikt een fabrikant echter zelf niet over deze karakteristieken. In dat geval is het mogelijk om de apparatuur in kwestie te testen in labo-omstandigheden om op die manier de gevoeligheidscurve voor spanningsdips te bepalen. Het is echter onmogelijk om dit voor alle apparatuur te doen gezien de kostprijs en de tijdsduur van deze labotesten. Een indeling van de appartuur in categorieën en een test per categorie uitvoeren is een mogelijkheid. Dit is echter geen garantie op correctheid aangezien zelfs twee gelijkwaardige apparaten van een verschillende fabrikant een verschillende gevoeligheid voor spanningsdips kunnen hebben. Het aantal aangesloten apparaten per categorie en hun interconnectie Het aantal apparaten met elk hun gevoeligheidscurven en hun interconnectie dient gekend te zijn om te kunnen inschatten wat een spanningsdip zal doen met een bepaald proces. Zo kan het bijvoorbeeld zijn dat een machine die immuun is voor een bepaalde spanningsdip toch wegvalt omdat de sturing van deze machine niet immuun is voor de optredende spanningsdip en dus tript. 1 De eerste gevoeligheidscurves werden opgesteld door CBEMA, met de bedoeling om de gevoeligheid van computermainframes voor spanningsvariaties weer geven, later werden deze curves aangepast tot de ITI curven.

15


100 werkend

Percentage van de nominale spanning

90

gestopt

ITI

80 70 60

werkend

50

gestopt

40 motor contactors

30 20

frequentieregelaars

CBEMA

10 0

10−1

100

101

102

103

Tijd [cycli] Figuur 3.14: Gevoeligheidscurven [4]

De kostprijs van het wegvallen van het proces De kostprijs voor het wegvallen van een verbruiker of een proces bij die verbruiker dient bepaald te worden via een enquête. Eenmaal alle bovenstaande gegevens gekend zijn kan onderzocht worden wat de kost van spanningsdips voor een bepaalde gebruiker is. 3.3.2.4

Voordelen en nadelen van kostprijsbepaling via een netonderzoek

Het grootste voordeel van een kostprijsbepaling van spanningsdips via een netonderzoek is de gestructureerde aanpak van de analyse waardoor het mogelijk is om de kostprijs te bepalen van heel uiteenlopende spanningsdips. Naast het feit dat een netonderzoek meer tijd en middelen in beslag neemt dan een bevraging heeft een kotprijsbepaling van spanningsdips via een netonderzoek ook het nadeel dat deze analyse gebaseerd is op historische gegevens. Transmissienetten zijn immers geen statisch gegeven maar evolueren voortdurend. Een aanpassing in het net zoals het uitbreiden van het net maar ook het sluiten van bepaalde koppelingen kan ervoor zorgen dat de resultaten van een simulatie niet meer met de realiteit overeen komen. Verder is het zo dat voor de kostprijsbepaling van spanningsdips via een netonderzoek er gegevens nodig zijn van aangesloten apparatuur bij de verbruiker die in veel gevallen noch de onderzoeker, noch de verbruiker, noch de leverancier van de apparatuur bezitten. 16

Besluit

3.4

Besluit

Wat de parameters van spanningsdips betreft blijkt dat de diepte en de duur van een spanningsdip de twee belangrijkste en in praktijk ook de twee meest gebruikte parameters van een spanningsdip zijn. Dit heeft tot rechtstreeks gevolg dat de karakterisatie van spanningsdips zich in vele gevallen ook beperkt tot één diepte (meestal de maximale diepte) en één duur. Deze manier om spanningsdips te karakteriseren heeft het nadeel dat de dip overschat wordt. Wat het bepalen van de kostprijs van spanningsdips betreft blijkt uit de literatuur dat er twee methodes bestaan. De eerste methode maakt gebruik van een enquête bij de verbruiker. Een tweede methode maakt gebruik van een netonderzoek aangevuld met een spanningsdipen economische analyse. Het grootste voordeel van de eerste methode is het feit dat de verbruiker bevraagd kan worden over een in het verleden voorgevallen spanningsdip. Hierdoor kan de bepaling van de kostprijs van spanningsdips via deze methode vrij accuraat zijn. Het belangrijkste nadeel van deze methode is het dalen van de accuraatheid wanneer gevraagd wordt naar spanningsdips die in het verleden niet zijn opgetreden bij de verbruiker. Het belangrijkste voordeel van de tweede methode is de gestructureerde aanpak. Het belangrijkste nadeel is de nood aan moeilijk beschikbare gegevens.

17

Hoofdstuk 4

Mitigatiemiddelen 4.1

Inleiding

In dit hoofdstuk zal een overzicht gegeven worden van de mitigatiemiddelen die kunnen gebruikt worden om power quality problemen en in het bijzonder spanningsdips en -onderbrekingen te verhelpen bij de eindverbruiker. In wat volgt worden de verschillende mitigatiemiddelen opgelijst met telkens een korte beschrijving van het mitigatiemiddel, een korte bespreking van de toepasbaarheid en waar mogelijk ook een schatting van de kostprijs. In deze thesis is het de bedoeling een afweging te maken tussen mitigatiemiddelen toegepast bij de eindverbruiker (aanpassen van het proces bij die eindverbruiker, beschermen van een deel van het proces of beschermen van de gehele site) en aanpassingen aan het net en dit niet op basis van de totale kostprijs maar wel op basis van de kostprijs per beschermd vermogen. In dit hoofdstuk worden de mitigatiemiddelen toegepast bij de eindverbruiker besproken, een bespreking van de aanpassingen aan het net is te vinden in hoofdstuk 5 Aan het slot van dit hoofdstuk is een samenvattende tabel te vinden met daarin een vergelijking tussen de verschillende mitigatiemiddelen.

4.2

Mitigatiemiddelen

Wat zowel de mitigatiemiddelen tegen spanningsdips als spanningsonderbrekingen typeert is de kost van deze mitigatiemiddelen. Deze kost is namelijk het laagst bij de eindverbruiker en neemt toe naarmate men zich (elektrisch) verder van de eindverbruiker begeeft. Deze stijging in kost is voornamelijk afkomstig van de stijging in het te beschermen vermogen. Verder is het ook zo dat de oplossingen bij de eindverbruiker dikwijls een lagere graad van complexiteit hebben dan deze die op het transmissienet kunnen toegepast worden. De mitigatiemiddelen bestaan (in stijgende graad van complexiteit/kost) uit: het aanpassen van het proces bij de eindverbruiker, beschermen van een deel van het proces, beschermen van de gehele site en tenslotte aanpassingen aan het net (zie hoofdstuk 5). 18

Mitigatiemiddelen

4.2.1

Aanpassingen van het proces bij de eindverbruiker

Deze aanpassingen zijn weliswaar het goedkoopst maar in veel gevallen dient een grondige kennis van de processen voorhanden te zijn om deze aanpassingen te kunnen uitvoeren. De kostprijs van deze aanpassingen van het proces bij de eindverbruiker achterhalen is zeer moeilijk omdat deze kostprijs in belangrijke mate afhankelijk is van het proces zelf, ook in de literatuur konden hierover geen goed gedocumenteerde waarden teruggevonden worden. Voorbeelden van aanpassingen waarvoor een grondige kennis van de aan te passen processen noodzakelijk is worden besproken in paragrafen 4.2.1.2 en 4.2.1.3 maar vooral ook in paragrafen 4.2.1.4 en 4.2.1.5. De oplijsting die volgt is in grote mate gebaseerd op [9].

4.2.1.1

Algemene voorzorgen

De beste manier om ervoor te zorgen dat een proces zo veel mogelijk bestand is tegen spanningsdips is ervoor te zorgen dat de apparatuur de maximale voedingsspanning krijgt. Als een voeding of een contactor gevoed wordt met een lagere dan de nominale spanning dan zal dat apparaat gevoeliger zijn voor spanningsdips. Het is daarom heel belangrijk om aandacht te schenken aan de tapstandpositie van de voedende trafo om op die manier de ride through capabilities van de aangesloten apparatuur te verbeteren. Een andere eenvoudige oplossing om de weerstand van sturingen tegen spanningsdips te verbeteren is deze sturingen te schakelen tussen twee fasen in plaats van tussen een fase en de neutrale geleider [15].

4.2.1.2

Automatische herstart

De procescomponenten die uitgerust zijn met een automatische herstart schakelen bij een spanningsdip gecontroleerd af. Nadat de spanning zich heeft hersteld, herstarten ze na een bepaalde vooraf vastgelegde tijd. De toepassing van het automatische herstarten voor bepaalde procescomponenten noodzaakt de installatie van vrij goedkope, additionele hardware. Indien het gaat om frequentie-omvormers hangt de kostprijs van deze oplossing af van het al dan niet ondersteund worden van deze functie door de frequentie-omvormer. Indien de frequentieomvormer deze functie ondersteunt kan de kostprijs neerkomen op het aanpassen van de software. Indien de frequentie-omvormer deze functie niet ondersteunt zal het toepassen van deze oplossing de aanschaf van nieuwe hardware vergen.

4.2.1.3

Restart on the fly

Deze aanpassing slaat op frequentie-omvormers. Sommige frequentie-omvormers hebben de mogelijkheid om, wanneer ze detecteren dat de spanning terugkomt na een dip, automatisch terug te starten, zonder eerst te stoppen. Indien op de VSD die bij de verbruiker ge¨ınstalleerd is deze functie niet geactiveerd is maar wel ondersteund wordt door de drive dan is het activeren van deze functie een goedkope manier om de kost van spanningsdips te beperken. Indien de VSD die bij de verbruiker ge¨ınstalleerd is deze functie echter niet ondersteunt dan impliceert het gebruik van deze functie de aanschaf van een nieuwe VSD wat een veel hogere kost met zich meebrengt. 19

4. Mitigatiemiddelen

4.2.1.4

Aanpassen van de beveiligingen

Door simpelweg een aanpassing van de onderspanningsbeveiligingen kunnen een heel aantal afschakelingen ten gevolge van spanningsdips vermeden worden. Men kan bijvoorbeeld de duur dat de spanning lager dan een bepaalde drempelwaarde mag zijn en de drempelwaarde zelf aanpassen. Wanneer bij een frequentiedrive de onderspanningsbeveiliging aangepast wordt dient er aandacht besteed te worden aan de overstroombeveiligingen. Bij een spanningsdaling zal door de frequentiedrive namelijk een verhoogde stroom getrokken worden om hetzelfde gevraagde vermogen te kunnen blijven leveren. Deze stroom kan in sommige gevallen aanleiding geven tot het afschakelen van de drive door de overstroombeveiliging. In dat geval kan men eventueel opteren om spoelen tussen de drive en het net te plaatsen om op die manier de stijging van de stroom te temperen. 4.2.1.5

Kinetische buffering

Kinetische buffering is eveneens een mitigatietechniek tegen spanningsdips die toegepast kan worden op frequentie-omvormers met een gemeenschappelijke DC-bus. Een of meerdere drives dienen dan geprogrammeerd te worden om bij een spanningsdip als generator te dienen en op die manier de kinetische energie te gebruiken om de DC-bus spanning op peil te houden. Kinetische buffering vergt een grondige analyse van de te beschermen installatie. 4.2.1.6

DC-bus buffering

Men kan eveneens opteren om de DC-bus te voorzien van een extra opslagelement zoals bijvoorbeeld een capaciteit. Om echter effectief te zijn tegen driefasige dips of korte onderbrekingen is een zeer groot aantal capaciteiten nodig. Bovendien is het zo dat het toevoegen van capaciteiten kan leiden tot zeer hoge laadstromen. Een ander nadeel is dat grote capaciteiten zeer duur zijn. Deze aanpassing van het proces bij de eindverbruiker is dan ook meestal geen goede mitigatiemethode. 4.2.1.7

Boost converter

Met een boost converter is het mogelijk om bij een spanningsdip de DC-bus spanning op peil te houden door hetgeen wat rest van de voedingsspanning gelijk te richten en op te boosten tot boven de drempelwaarde waarop de frequentiedrive normaal zou afschakelen. Een rondvraag bij enkele experten in het vakdomein leert dat de prijzen van deze oplossing variëren van d250 per beschermde kVA voor oplossingen kleiner dan 25 kVA tot d100 per beschermde kVA voor grotere oplossingen (een meer gedetaileerd prijsoverzicht is te vinden in tabel 4.1). 4.2.1.8

Active front end

Met een active front end is het mogelijk om energie vanuit een frequentiedrive terug naar het net te voeren. Een active front end is echter ook een mitigatiemiddel tegen spanninsdips door de ingebouwde boost functie. Prijzen variëren ook hier van d250 per beschermde kVA voor 20

Mitigatiemiddelen L1

Vin = 105 − 130V

T1

C1

Vp

Vuit = 120V

Figuur 4.1: Basis schakelschema van een CVT [5]

oplossingen kleiner dan 25 kVA tot d100 per beschermde kVA voor grotere oplossingen (voor meer details zie tabel 4.1).

4.2.2

Aanpassingen van de uitrusting tussen het net en de eindverbruiker

De oplijsting die volgt is in belangrijke mate gebaseerd op [4] 4.2.2.1

Ferroresonant transformatoren

Ferroresonant transformatoren of CVT’s zijn eigenlijk 1 op 1 trafo’s die hoog in hun saturatiecurve geëxiteerd worden. Hierdoor produceren ze een uitgangsspanning die niet veel wijzigt wanneer de ingangsspanning wijzigt. Zoals te zien is in figuur 4.1 bestaat een CVT uit een lineaire spoel in serie met een capaciteit. De spanning over de capaciteit kan ten gevolge van resonanties met de spoel gevoelig groter zijn dan de lijnspanning. Om de spanning over de capaciteit te beperken wordt een transformator over de capaciteit geplaatst [5]. CVT’s zijn geschikt als mitigatiemiddel tegen spanningsdips en worden bij voorkeur gebruikt bij een constante belasting. Een CVT is in staat om spanningsdips met een residuele spanning tot 30% van de nominale spanning te mitigeren, dit echter slechts voor enkele cycli van de spanning. CVT’s worden vaak gebruikt voor belastingen kleiner dan 20 kVA, er bestaan ook CVT’s met vermogens tot 250 kVA. Dit zijn echter geen standaard types waardoor de kost voor een 250 kVA CVT kan oplopen tot circa d50 000 [15]. CVT’s worden dikwijls overgedimensioneerd om voldoende bescherming tegen dips te kunnen bieden wanneer ze in vollast bedreven worden. Het rendement van CVT’s ligt tussen de 70 en de 75 procent bij vollast [6]. Een overzicht van de kostprijs van mitigatiemiddelen tegen spanningsdips in functie van het te beschermen vermogen wordt gegeven in figuur 4.2. Een rondvraag bij enkele experten in het vakdomein leerde dat prijzen van ferroresonant transformatoren variëren van d550 per kVA voor oplossingen kleiner dan 25 kVA tot d200 per kVA voor oplossingen tussen 200 en 500 kVA. 4.2.2.2

Magnetische synthesizers

Magnetische synthesizers gebruiken een vergelijkbaar werkingsprincipe als ferroresonant transformatoren, ze worden echter minder en minder gebruikt. Het verschil tussen magnetische 21


1200 SVC

1000

M-G

$/kVA

800

CVT’s UPS

600 400 200

25

50

100

200

300

400

kVA

Figuur 4.2: Vergelijking tussen de kost van mitigatiemiddelen per te beschermen kVA voor spanningsdips in functie van het te beschermen vermogen [6]

synhesizers en CVT’s is dat magnetische synthesizers driefasige toestellen zijn die gebruik kunnen maken van alle fasen om hieruit een gezonde driefasige spanning te synthetiseren. Een principeschema van een magnetische synthesizer wordt gegeven in figuur 4.3. Als opslagelementen wordt gebruik gemaakt van capaciteiten en spoelen. Magnetische synthesizers zijn in staat om spanningsdips tot een residuele spanning van circa 40 % van de nominale spanning te mitigeren. Dit echter slechts voor een periode van typisch een cyclus van de bronspanning. Het rendement van deze apparaten ligt bij vollast typisch tussen de 89% en de 93%. Magnetische synthesizers zijn commercieel beschikbaar met vermogens tussen 15 kVA en 200 kVA [4]. Aangezien magnetische synthesizers minder en minder gebruikt worden is het echter moeilijk om een inschatting van de kost van deze toestellen te maken. [16] spreekt van een kost van $212.000 en $147.000 voor magnetische synthesizers die een vermogen kunnen beschermen van respectievelijk 750 en 500 kVA, dit zijn echter vermoedelijk geen standaard producten. Een rondvraag bij enkele experten in het vakdomein leerde dat de kost voor magnetische synthesizers varieert van d250 per kVA voor oplossingen kleiner dan 25 kVA tot d120 per kVA voor oplossingen tussen 200 en 250 kVA. Voor nog grotere oplossingen zou de prijs per kVA weer hoger liggen. Meer gedetailleerde prijzen zijn terug te vinden in tabel 4.1. 22

Mitigatiemiddelen

Input

Output Energie transfer en lijnisolatie

Golfvorm synthese en inductieve energieopslag

Capacitieve energieopslag Figuur 4.3: Principeschema magnetische synthesizers [4]

Aansluitpunt

Controle

Boosttrafo

Verbruiker

VSC Energie opslag

Figuur 4.4: Werkingsprincipe actieve serie compensatoren [7]

4.2.2.3

Actieve serie compensatoren

Deze toestellen, ook wel DVR’s of VSC’s genaamd, zijn in staat om tijdens een spanningsdip de spanning op te boosten door in serie met de voedingsspanning een extra spanning te injecteren, hiervoor wordt dikwijls gebruik gemaakt van een trafo in serie met de lijn. Deze toestellen zijn beschikbaar met vermogens van 1 tot 5 kVA voor de bescherming van kleine eenfasige belastingen tot vermogens van 2 MVA en hoger voor de bescherming in middenspanningsystemen [4]. In figuur 4.2 wordt een inschatting van de kostprijs per kVA gegeven door [6] . Een kleine rondvraag leerde dat prijzen voor DVR’s variëren van d250 per kVA voor kleinere toepassingen (kleiner dan 25 kVA) tot d200 per kVA voor grotere toepassingen. Meer details over prijzen van DVR’s zijn te vinden in tabel 4.1. Een principeschema van een DVR wordt gegeven in figuur 4.4. 23


4.2.2.4

On-line UPS

Een UPS of Uninterruptible Power Supply is een toestel dat door gebruik te maken van een batterij bank de last kan blijven voeden (zolang er voldoende capaciteit in de batterijen aanwezig is), zowel bij een spanningsdip als bij een spanningsonderbreking. In het geval van een on-line UPS wordt de last steeds gevoed door de UPS. De UPS, het voedend net en de belasting staan als het ware in serie. Navraag bij een producent van mitigatiemiddelen en bij enkele experts in het vakdomein leert dat de prijzen van on-line UPS toestellen variëren van d1000 per kVA voor toestellen kleiner dan 25 kVA tot ongeveer d200 per kVA voor grotere toestellen. Meer gedetailleerde prijzen van on-line UPS toestellen zijn te vinden in tabel 4.1.

4.2.2.5

Standby UPS

Een standby UPS is een UPS waarbij de last in normale omstandigheden gevoed wordt door het net maar waarbij de voeding van de last kan overgenomen worden door de UPS in geval van een spanningsonderbreking of een spanningsdip. Dit gebeurt door het omschakelen van een automatische schakelaar. De standby UPS en het voedend net staan als het ware in parallel voor de belasting. Navraag naar de prijs van deze toestellen leert dat de prijzen een vergelijkbaar verloop kennen als die van de on-line UPS toestellen maar dat standby UPS toestellen licht duurder zijn (meer details in tabel 4.1).

4.2.2.6

Hybride UPS

Een hybride UPS is in wezen hetzelfde als een standby UPS maar waar een ferroresant transformator aan toegevoegd is. Zo voorkomt men een spanningsdaling bij het omschakelen van het voedend net naar de UPS in het geval van een spanningsdip of spanningsonderbreking. Prijzen voor hybride UPS toestellen zijn terug te vinden in tabel 4.1.

4.2.2.7

Motor generator set

Deze vrij oude manier van immunisatie maakt gebruik van een elektrische motor die een generator aandrijft die op zijn beurt de last voedt. Een vliegwiel op dezelfde as zorgt voor een grote draaiende inertie zodanig dat spanningsdips en korte spanningsonderbrekingen kunnen opgevangen worden. Prijzen van motor generator sets beginnen bij d600 per kVA voor toestellen kleiner dan 25 kVA en dalen tot d200 per kVA voor grotere toestellen.

4.2.2.8

Vliegwiel

De combinatie van een motor/generator met een hoogtoerig vliegwiel en vermogenelektronica zorgt voor ride through tijden bij spanningsonderbrekingen en spanningsdips van 10 seconden tot 2 minuten. Voor dit mitigatiemiddelel variëren de prijzen van d500 per kVA voor kleinere toestellen tot d250 per kVA voor grotere. Meer gedetailleerde prijzen voor vliegwielen zijn terug te vinden in tabel 4.1 24

Mitigatiemiddelen

4.2.2.9

SMES

Een SMES of Superconduction Magnetic Energy Storage kan gebruikt worden om korte onderbrekingen of spanningsdips te verhelpen. De energieopslag in een SMES gebeurt door een elektrische stroom die in een verliesvrije spoel vloeit. Doordat de spoel verliesvrij is kan de energie nagenoeg onmiddelijk in het te beschermen systeem ge¨ınjecteerd worden. Een rondvraag bij enkele experts in het vakdomein wijst uit dat de prijs per beschermde kVA door middel van een SMES zich rond de d600 situeert.

4.2.2.10

Statische en automatische overschakeling

Statische en automatische omschakelaars zijn in staat om van de ene voeding naar de andere over te schakelen. Statische omschakelaars maken gebruik van vermogenelektronische componenten. Via statische omschakelaars is het mogelijk om binnen een kwart van een cyclus van de voedingsspanning van de ene voeding op de andere over te schakelen. Automatische omschakelaars die gebruik maken van vermogenschakelaars gebaseerd op vacu¨ umtechnologie zijn in staat om de omschakeling te maken in een tijdsspanne van 2 cycli van de voedingsspanning. Dit kan voldoende zijn om vele gevoelige lasten te beschermen [4]. Prijzen voor deze toestellen variëren met het om te schakelen vermogen. Voor statische schakelaars gaan de prijzen van d8000 voor een schakelaar die in staat is om tot 500 kVA om te schakelen tot d150.000 voor een schakelaar die in staat is om 10.000 kVA om te schakelen. Voor automatische omschakelaars gaan de prijzen respectievelijk van d10.000 tot d600.000.

4.2.3 4.2.3.1

Andere aanpassingen Redundante netaansluiting

In wezen is dit hetzelfde beschermingsprincipe als een statische of automatische overschakeling. Een bedrijf dient van twee redundante netaansluitingen voorzien te zijn met tussen de twee aansluitingen een statische of automatische omschakeling.

4.2.3.2

Eilandbedrijf

Een bedrijf kan ervoor opteren om diesels of turbines te plaatsen die in staat zijn (een deel van) het verbruik te dekken. Dit principe wordt nogal eens toegepast in snelgroeiende economieën waar spanningsonderbrekingen schering en inslag zijn ten gevolge van het niet snel genoeg ontwikkelen van het voedende net [11]. Indien een dieselgenerator gebruikt wordt als een mitigatiemiddel spreekt men wel eens van een D-ups . D-ups zijn draaiende no-break voedingen, deze toestellen bestaan uit een dieselmotor en een kleine statische UPS. In sommige commerciële producten wordt de statische UPS vervangen of aangevuld door een hoogtoerig vliegwiel zoals besproken in paragraaf 4.2.2.8 [17]. Deze combinatie zorgt ervoor dat de kritische gebruikers gevoed blijven tijdens het opstarten van de diesel. Nadat de diesel opgestart is kunnen de gebruikers in principe onbeperkt in tijd gevoed blijven door de diesel. Installatiekosten van nooddiesels situeren zich rond d200 per beschermde kVA. 25


4.2.3.3

Minimaliseren van de schade

Soms is het te duur om één van bovenstaande maatregelen toe te passen. In dat geval zal een verbruiker de gevolgen van spanningsdips en spanningsonderbrekingen moeten dragen. Het is echter wel mogelijk om de kosten hiervan te beperken door duidelijke richtlijnen op te stellen over hoe na een incident moet herstart worden. Zulke richtlijnen kunnen de tijd dat de productie stil ligt beperken en op die manier de kosten drukken.

26

0-25 kVA

25-50 kVA

50-100 kVA

100-200 kVA

200-500 kVA

500-1000 kVA

1000-10.000 kVA

NA NA NA NA NA/SM 100 100


Aanpassen van het proces bij de eindverbruiker

NA1 NA NA NA NA/SM2 250 250

Automatische herstart Restart on the fly Aanpassen van de beveiligingen Kinetische buffering DC-busbuffering Boost converter Active front end





Aanpassingen van de uitrusting tussen het net en de eindverbruiker

Ferroresonant transformatoren Magnetische synthesizers Actieve serie compensatoren On-line UPS Standby UPS Hybride UPS Motor generator set Vliegwiel SMES Statische en automatische overschakeling

550 400 250 1000 1000 1000 600 500 600 NA

400 350 200 500 500 500 400 500 600 NA

Eilandbedrijf (diesels)

220

220

300 250 200 500 500 500 300 500 600 NA

Andere aanpassingen 220

210 150 200 225 300 300 200 350 600 180

200 120 200 200 250 250 200 325 600 130

NA 285 NA 200 200 200 NA 275 600 90

NA 300 NA 200 200 200 NA 250 600 60

220

220

220

220

Tabel 4.1: Kosten mitigatiemiddelen in de verschilllende vermogenbereiken (in d/kVA)

27

2

Gegevens niet beschikbaar Slecht mitigatiemiddel

Mitigatiemiddelen

1


4.3

Sectoraal gebruik mitigatiemiddelen

Om een afweging te kunnen maken tussen de kosten verbonden met netversterkingen en mitigatiemiddelen moet de kost van mitigatiemiddelen in rekening gebracht worden. Gezien niet elke industriële sector op dezelfde manier gebruik maakt van mitigatiemiddelen wordt in het model dat besproken wordt in hoofdstuk 6 gebruik gemaakt van een tabel die per sector aangeeft wat het aandeel van de verschillende mitigatiemiddelen gemiddeld gezien is in elke sector (zie tabel 4.2). Om tot een afweging van het sectoraal gebruik van mitigatiemiddelen te komen werd een beroep gedaan op enkele experten in het vakdomein. In tabel 4.2 komt een 0 overeen met het niet gebruiken van het beschouwde mitigatiemiddel in de beschouwde sector. Een 10 wijst erop dat het beschouwde mitigatiemiddel het mitigatiemiddel bij voorkeur is in de beschouwde sector voor de toepassing waarvoor het mitigatiemiddel geschikt is. Een 5 wijst erop dat het mitigatiemiddel in de beschouwde sector in ongeveer 50 procent van de gevallen gebruikt wordt voor toepassingen waarvoor het geschikt is.

28

Winning van andere niet metaalhoudende delfstoffen

Voedingsnijverheid

Textielnijverheid

Houtnijverheid

Papiernijverheid

Uitgeverijen

Vervaardiging van energieproducten

Chemie

Rubbernijverheid

Productie van n. metaalh. minerale producten

Metallurgie

Metaalverwerking

Machinebouw

Productie van elektrische apparaten

Productie van communicatie-apparatuur

Automobielnijverheid

Productie van overige transportmiddelen

Productie en distributie van elektriciteit en gas

Winning en distributie van water

Vervoersactiviteiten te land

Gezondheidszorgsinstellingen

Activiteiten i.v.m. Afvalbehandeling

5 6 3 6 5 6 5 6 5 5 8 8 8 5 3 0 4 8

4 5 4 6 7 5 4 7 4 4 8 7 9 6 3 0 5 8

4 5 3 5 5 5 6 6 5 4 8 7 8 5 4 0 3 7

3 2 2 5 5 4 3 7 6 5 7 6 6 4 3 0 0 3

2 2 3 4 8 7 6 8 7 7 9 9 9 6 4 0 1 7

5 4 3 3 3 2 1 6 3 2 7 8 9 10 4 0 5 9

5 4 3 4 5 4 4 8 7 6 10 9 10 7 5 0 7 9

7 7 3 6 7 6 6 8 6 7 9 9 9 5 7 1 6 9

2 1 2 3 3 4 2 6 7 7 8 9 7 6 6 0 5 3

1 2 1 3 4 4 3 8 7 6 9 8 7 5 5 2 4 6

6 7 5 5 6 7 5 6 5 6 8 9 10 6 6 2 8 8

6 7 4 7 7 6 5 7 5 6 8 7 9 5 4 2 6 9

3 1 3 4 4 3 4 5 6 3 7 6 7 4 1 0 5 7

6 5 3 4 4 2 2 5 4 3 5 4 5 3 2 0 3 4

4 5 2 4 3 2 3 4 3 4 6 7 6 4 3 0 4 6

5 3 3 4 4 5 4 6 5 5 8 9 8 6 3 1 3 9

5 3 3 4 4 5 4 6 5 5 8 9 8 6 3 1 3 9

4 4 5 4 5 5 4 8 6 6 9 9 9 7 6 6 8 10

2 1 2 3 3 2 1 4 2 1 5 3 5 2 0 0 2 6

7 7 4 4 7 6 5 6 5 5 9 8 7 4 4 1 5 6

9 6 9 2 3 6 5 7 5 4 10 9 9 7 9 1 9 10

5 4 4 7 6 7 6 6 4 3 4 4 4 3 2 0 2 2

Tabel 4.2: Overzicht welke mitigatiemiddelen in welke sector gebruikt worden

Sectoraal gebruik mitigatiemiddelen

29

Automatische herstart Restart on the fly Aanpassen van de beveiligingen Kinetische buffering DC-busbuffering Boost converter Active front end Ferroresonant transformatoren Magnetische synthesizers Actieve serie compensatoren On-line UPS Standby UPS Hybride UPS Motor generator set Vliegwiel SMES Statische en automatische overschakeling Eilandbedrijf (diesels)

Hoofdstuk 5

Netversterkingen 5.1

Inleiding

In dit hoofdstuk zal een overzicht gegeven worden van de verschillende soorten netversterkingen die gebruikt kunnen worden om power quality problemen te verhelpen. Verder zal in dit hoofdstuk een beperkt overzicht gegeven worden van de kosten die samen hangen met het investeren in deze mitigatiemiddelen. Kosten van netversterkingen terugvinden in de literatuur is echter een lastige opgave aangezien het aantal netinvesteringen, vooral in België de laatste jaren eerder beperkt is [18].

5.2

Netversterkingen

Men zou grosso modo kunnen stellen dat voor netversterkingen er vandaag de dag twee mogelijke opties bestaan. Een eerste optie bestaat erin dat bestaande verbindingen versterkt worden of nieuwe verbindingen bijgevoegd worden. Een twee optie die sinds enkele jaren door veel TSO’s in overweging wordt genomen bestaat er in FACTS devices in het net in te passen.

5.2.1

Klassieke netversterkingen

Met klassieke netversterkingen worden hier aanpassingen van het transmissienet bedoeld

30

Hoofdstuk 6

Opbouw model trade-off 6.1

Inleiding

Om tot een vergelijking te kunnen tussen de investeringen die gepaard gaan met mitigatiemiddelen enerzijds en de kosten die samen gaan met investeren in netversterkingen anderzijds werden simulaties uitgevoerd op een fictief 39-busnetwerk. De techniek die hiervoor gebruikt werd, is grotendeels gebaseerd op de techniek die beschreven wordt in paragraaf 3.3.2, uitgebreidt met een analyse voor spanningsonderbrekingen. In dit hoofdstuk wordt het 14-busnetwerk beschreven alsook de code die gebruikt werd om tot een vergelijkingen te komen tussen de kosten van mitigatiemiddelen enerzijds en de kosten verbonden met netversterkingen anderzijds.

6.2

Het 14-busnetwerk

Hier moet nog een beschrijving van het gebruikte netwerk komen 6.3

De fouten-analyse

Op het hierboven beschreven netwerk werd nu een foutenanalyse uitgevoerd door fouten aan te leggen op alle bussen, op alle lijnen, op alle transformatoren en door alle lijnen te laten uitvallen. In al deze gevallen wordt gekeken hoe de spanningen op de andere bussen reageren. Deze analyse werd uitgevoerd in de veronderstelling dat de beveiliging die de fout in eerste tijd moet afschakelen dit ook doet. Nadat alle incidenten berekend werden, wordt een overzicht opgesteld van al deze incidenten. De incidenten werden per bus opgelijst in een array met telkens, per incident, de diepte van het incident, de duur van het incident, welk netelement getroffen werd en welk netelement de oorzaak was van het incident en een gewichtsfactor die voor elk incident aangeeft hoe dit incident zich verhoudt tot een korte onderbreking. 31

6. Opbouw model trade-off

6.4

De economische analyse

6.5

Besluiten

32

Hoofdstuk 7

Besluit

33

Bibliografie [1] L. L. Grigsby, Electric Power Engineering Handbook Second Edition, R. C. Dorf, Ed. CRC Press Taylor & Francis Group, 2007. [2] M. H. J. Bollen en I. Y. Gu, Signal Processing of Power Quality Disturbances, M. E. El-Hawary, Ed. IEEE Press - Wiley-interscience, 2006. [3] D. L. Brooks, R. C. Dugan, M. Waclawiak, en A. Sundaram, “Indices for assessing utility distribution system rms variation performance,” IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 13, Issue 1, 1998. [4]

R. C. Dugan, M. F. McGranaghan, S. Santoso, en H. W. Beaty, Electrical Power System Quality Second Edition. McGraw-Hill, 2002.

[5] C. W. T. McLyman, Transformer And Inductor Design Handbook, M. O. Thurston, Ed. Marcel Dekker, 2004. [6] R. C. Degeneff, R. Barss, D. Carnovale, en S. Raedy, “Reducing the effect of sags and momentary interruptions: A total owning cost prospective,” Harmonics and Quality of Power, 2000. Proceedings. Ninth International Conference on, 2000. [7] A. Rai en A. K. Nadir, “Modeling & simulation of dynamic voltage restorer (dvr) for enhancing voltage sag,” Sensors & Transducers Journal, Vol. 87, Issue 1, pp. 85-93, 2008. [8] IEC COM 8, “Geregistreerde Belgische norm: Spanningskarakteristieken in openbare elektriciteitsnetten: NBN EN 50160,” BEC/BIN/CENELEC, Tech. Rep., 1999. [9] M. Didden, “Techno-economic analysis of methods to reduce damage due to voltage dips,” Ph.D. dissertatie, Katholieke Universiteit Leuven, Faculteit toegepaste wetenschappen departement werktuigkunde afdeling TME, departement elektrotechniek afdeling Electa, 2003. [10] G. Yal¸cinkaya, M. H. Bollen, en P. A. Crossley, “Characterization of voltage sags in industrial distribution systems,” IEEE transactions on industry applications Vol. 34, Nr. 4, 1998. [11] P. D. Wijayatunga en M. Jayalath, “Assessment of economic impact of electricity supply interruptions in the sri lanka industrial sector,” Energy Conversion and Management 45 p. 235/247, 2004. [12] M. J. Sullivan, T. Vardell, en M. Johnson, “Power interruption costs to industrial and commercial consumers of electricity,” IEEE Transactions on industry applications, Vol. 33, Nr. 6, 1997. 34

[13] J. V. Milanovi`c en C. P. Gupta, “Probabilistic assessment of financial losses due to interruptions and voltage sags - part 1: The methodology,” IEEE transactions on power delivery Vol. 21, Nr. 2, 2006. [14] J. V. M. en Chandra P. Gupta, “Probabilistic assessment of financial losses due to interruptions and voltage sags - part 2: Practical implementation,” IEEE transactions on power delivery Vol. 21, Nr. 2, 2006. [15] PGEC, “Voltage sag ride-through mitigation in sequence by increasing cost.” World Wide Web electronic publication, 1999. [Online beschikbaar]: www.pge.com/includes/docs/pdfs/ mybusiness/customerservice/energystatus/powerquality/voltagesag ride.pdf [16] C. J. Melhorn, A. Braz, P. Hofmann, en R. J. Mauro, “An evaluation of energy storage techniques for improving ride-through capability for sensitive customers on underground networks,” IEEE transactions on industry applications Vol. 33, Nr. 4, 1997. [17] E. Wingen en Socomec, “Diesel ups met kinetische energieopslag: productbeschrijving,” E. Van Wingen Diesel En Gas Power & Socomec UPS, Tech. Rep. [18] ICF Consulting Ltd, “Unit costs of constructing new transmission assets at 380kv within the european union, norway and switzerland,” DG TREN/European Commission, Tech. Rep., 2002.

35

Werktitel Subwerktitel

Recommend Documents