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, kopi¨eren, 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 (Belgi¨e). 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 6 Opbouw model trade-off 6.1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Het 39-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 6 12 16 17 17 17 24 26 27 27 27 27 27 27 28 29

Lijst van symbolen ASD Adjustable Speed Drive CV T Constant Voltage Transformer DV R Dynamic Voltage Restorer IT I

Information Technology Industry Council

pu

per unit

RM S Root Mean Square V SC Voltage Source Converter V SD Variable Speed Drive

v

Lijst van figuren 3.1

Spanningsdip ten gevolge van een niet symmetrische fout: links de golfvorm, rechts de RMS-spanning [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Spanningsdips ten gevolge van een driefasige fout: bovenaan links de golfvormen, bovenaan rechts de RMS- spanningen en onderaan de fasehoeken [1] . . . . . . . . 3.3 Definitie residuele spanning en duur van een dip [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Karakterisatie spanningsdip door middel van verschillende drempelwaarden [2] . . 3.5 Dip A [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Dip B [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Dip C [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 Dip D [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Dip E [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10 Dip F [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11 Dip G [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12 Gevoeligheidscurven [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 4.2 4.3 4.4

Basis schakelschema van een CVT [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergelijking tussen de kost van mitigatiemiddelen per te beschermen kVA voor spanningsdips in functie van het te beschermen vermogen [5] . . . . . . . . . . . . Principeschema magnetische synthesizers [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkingsprincipe actieve serie compensatoren [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

4 5 6 7 8 9 9 10 11 11 12 15 20 20 21 22

Lijst van tabellen 4.1

Overzicht welke mitigatiemiddelen in welke sector gebruikt worden . . . . . . . . .

vii

25

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

Referentie naar hoofdstukken waar we prijzen van dips nodig zullen hebben .

spanningsdips te bepalen. Deze gegevens zullen in hoofdstuk

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 [3]. 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. 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 [7, 1]. 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

function of time are shown. The voltage dip at 132 kV shows a large drop in voltage magnitude in one phase, together with a small drop in the two other phases. The voltage drops in the latter two phases are the same. We will learn later in this chapter that this is a clean type D dip. The voltage dip as measured at 10 kV also shows a large drop in one phase and a 3. Literatuurstudie m.b.t. bepalen de kostprijs van spanningsdips minor drop in the two otherhet phases. There van are however two differences compared to

Figure 6.13 Voltage dip to nonsymmetrical fault: waveforms (left); rms voltages Figuur 3.1: Spanningsdip ten due gevolge van een niet symmetrische fout: links de golfvorm, rechts (right). de RMS-spanning [1]

3.1.1

Diepte van de dip

De diepte van de dip is samen met de duur van de dip ´e´en 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 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 3.1.

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 [7] welke door Elia gehanteerd wordt als de norm voor wat betreft power quality.

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 [8] 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 namelijke 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 3.2. 4

phase angle is obtained from the fundamental (50-Hz) component taken over a onecycle rectangular window. The phase-angle jump in Figure 6.12 has a rather large value. Such a large phase-angle jump points to a fault at the distribution level. In distribution Parameters with spanningsdips systems, the source impedance is typically formed by a transformer a rather

Figure 6.12 Voltage dip due to three-phase fault in distribution system: waveforms (left); Figuur 3.2: Spanningsdips ten gevolge van een driefasige fout: bovenaan links de golfvormen, rms voltages (right); phase angles (bottom). bovenaan rechts de RMS- spanningen en onderaan de fasehoeken [1]

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 [9].

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. 5

3. Literatuurstudie m.b.t. het bepalen van de kostprijs van spanningsdips 8.6

Figure 8.44

SINGLE-EVENT INDICES: VOLTAGE DIPS

617

Definition of duration and residual voltage of voltage dip.

Figuur 3.3: Definitie residuele spanning en duur van een dip [1]

3.2

which at least one of the rms voltages is below the threshold. It is thus possible that an event is classified as a dip with zero residual voltage but not as an interruption. This is the case whenvan the voltage is zero in only one or two phases. If the voltage is Karakteriseren spanningsdips zero in all three phases the event is classified as a voltage dip and as an interruption.

Gezien het feit dat een spanningsdip een vrij ruim begrip is met een heel aantal parameters die 8.6.2 Depth of a Voltage Dip kunnen vari¨eren, is het belangrijk een spanningsdip te karakteriseren. In de literatuur kunnen Many of earlier studies on voltage dips use the actualterug drop ingevonden voltage instead of volgende methodes omtheeen spanningsdip te karakteriseren worden.

the residual voltage to characterize the event. The advantage is that a small value of the drop corresponds to a mild dip. When using residual voltage the somewhat strange situation occurs that a small value corresponds to a severe event. The split 3.2.1 Karakterisatie enkel European gebruik makend van eentodiepte has long been between publications which referred voltage dips and used the drop in voltage and American publications that used the term voltage and the residual (referred to as sagnorm magnitude) as a characteristic. De diepte van sag de dip wordt doorvoltage de IEC 61000-4-30 gedefinieerd als de laagste waarde However, the last few years the general tendency has been to use the residual van de spanning gedurende het incident. De diepte van de dip wordt dikwijls als een percentage voltage instead of the drop in voltage. van de spanning The voordepth de dip of vandip deisnominale spanning Bij and eena driefasige dip of a voltage the difference between aangegeven. the residual voltage vermeldt men meestal de diepste dip in de drie fasen. reference voltage. To be able to use the depth, it is thus essential to define whether the nominal voltage or the preevent voltage is used as a reference. But as both the depth and the residual voltage are typically expressed in percent, one needs a reference voltage in makend both cases anyway. 3.2.2 Karakterisatie gebruik van ´ e´ en diepte en ´ e´ en duur

8.6.3 gemaakt Definition of Reference Voltage om de residuele spanning en een maximale Hier wordt gebruik van de RMS-spanning duur van de dip bepalen (zie tofiguur 3.3). De duur vanof de dip wordt meestal gedefinieerd Thete thresholds needed detect the beginning and end a voltage dip are typically als de duur dat de as spanning onder bepaalde zit (typisch 10 the procent). Deze given a percentage of a een reference voltage.daling This reference voltage min may be nominal voltage or the preevent voltage. The choice of reference voltage is far twee kengetallen karakteriseren dan de dip. In een driefasig systeem wordt meestal die fase from trivial and has already resulted in many discussions in standard-setting 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.

3.2.3

Karakterisatie gebruik makend van verschillende dieptes en duren

Deze methode, naar voor gebracht in [2], 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 3.4. In deze figuur worden een aantal tijden aangegeven waarvoor de spanning onder 6

has shut down, durations associated with assessments of sags of the with the operati specified voltage levels. Notice that TxO%and Tso%are both 800 ms because both of the sag components of this nonaffect on custo rectangular event have magnitudes well below 50%. Tloah, multiple rms va however, comprises only the duration of the second system occurrenc Karakteriseren van spanningsdips component, 200 milliseconds. state of the sys provides a truer a many customers presented here ar

Without the aid good method of 80 once the first m I measurements re 60 defined duration 40 period. The dat variation indice 20 IEEE Std. 1159sustained interru used but the on Figuur 3.4: Karakterisatie spanningsdip door middel van verschillende drempelwaarden [2]other. Fig.2. Illustration of “Specified Voltage” characterization of rms Using a one-min variation phase measurements. een bepaalde drempelwaarde zit. Zo geeft bijvoorbeeld T80% de tijd aan dat de spanning onder duration of the 80% van de nominale spanning zit. magnitude and Measurement Event Level, A power system occurrence likely to result in such as a fault can affect one, two, or all three phases of the measurement ev 3.2.4 Bollen karakterisatie distribution system. Furthermore, the magnitude and the greatest volta duration of the resulting rms variation on each phase may M. Bollen karakteriseert spanningsdips door deze in te delen in verschillende dipklassen, deze differ substantially. When calculating rms variation karakterisatie wordt ook wel de ABC-classificatie genoemd. De dipklassen zijn rechtstreeks a determination must be made concerning to systeem afgeleid vanindlces, de oorzaak van de spanningsdip, namelijk van de fouten in hethow driefasige report three-phase as en van de voortplanting van deze measurement fouten door het events. net en danUnfortunately, vooral door de transformatorschakelingen. Op the die manier worden zeven of dipklassen (A-G) bekomen [1, 3]. Een nadeelThe van developed r with characterization non-rectangular components, deze methode is dat ze vooral gebaseerd is op simulaties. Het bepalen van een dipklasse theopassessment o characterization at the measurement event level has not basis van gemeten golfvormen is niet onmiddelijk mogelijk. Hieronder volgt een overzicht van The indices are beengedefinieerde standardized and is not very well defined [4]. For an de verschillende dipklassen. systems of varyi assessment of single-phase performance, each of the three applied to meas phases are reported separately. Thus, for a three-phase 3.2.4.1 Dip klasse A distribution syste fault, three different rms variations are included in the methodspanningsdip of characterizing measurement eventswordt inordethe indices m Een driefaseindices. fout leidtThe tot dezelfde in de drie fasen. Dit fenomeen distribution syst is A. a three-phase for theaangeduid indicesals presented here ABC klassificatie een dip van klasse Een voorbeeld method. van een dip A van klasse A customer point-o wordt gegeven in figuur De spanning bij een van klasse A daalt met of eenthe zekere waarde single set 3.5. of characteristics aredipdetermined for all en er treedtaffected geen fasesprong op.For each rms variation measurement, the this scalabilify o phases. various parts of magnitude and duration are designated as the magnitude values calculated andklasse duration of the phase with the greatest voltage 3.2.4.2 Dip B deviation from nominal voltage. Een eenfasige fout resulteert in een spanningsdip in de getroffen fase. De niet getroffen There are many p fasen kunnen een spanningsverhoging, een spanningsdaling of geen spanningsverandering useful to quant& Aggregafe Event Level. An aggregate event is the occurrence, the collection of all measurements associated with a single 7 phases involved, power system occurrence into a single set of event indices have bee I

3. Literatuurstudie m.b.t. het bepalen van de kostprijs van spanningsdips 6.2

VOLTAGE DIPS

455

Figure 6.44 Voltage dip of type A: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); phase angle (bottom). Figuur 3.5: Dip A [1]

given below; for more details the reader is referred to [33] or a book on power system

verwachten.analysis. Welk effect precies optreedt hangt af van de verhouding tussen de directe en inverse bronimpedantie. Eendips voorbeeld van een dip van(orklasse B is tefaults) zien lead in figuur Voltage due to three-phase faults symmetrical to the 3.6. same voltage dip in the three phases (or balanced dips). In our classification of dips we refer to these as type A; a synthetic example is shown in Figure 6.44. The 3.2.4.3 Dip klasse voltage in theC faulted phase equals 0.5 pu and there is no phase-angle jump in the faulted-phase voltage. The phase-angle jump is zero in all three phases. The oscillationfout in the phase-angle is an artifacten dueeen to fasesprong the half-cyclevoor window Een tweefasige resulteert in plot een (right) spanningsdaling beide getroffen moving through the start of the event. These artifacts will be discussed in fasen. De fasesprong in de twee getroffen fasen is even groot maar tegengesteldmore zoals te zien is detail in Section 8.2. in figuur 3.7. De derde fase wordt niet be¨ınvloed. A single-phase fault results in a voltage drop in the faulted phase. The nonfaulted phases may show a rise in voltage, a drop in voltage, or no change at all, depending on the ratio between positive-sequence and negative-sequence source impedances. 3.2.4.4 Dip klasse D For the synthetic dip shown in Figure 6.45 it has been assumed that the voltage in the nonfaulted phases is not affected. The dip becomes unbalanced with a drop in Een dip vanone klasse (ziebut figuur 3.8) in wordt gekarakteriseerd phaseDonly no impact the other two phases. door een grote spanningsdaling in een fase en een kleinere spanningsdaling de twee andere fasen. Een dip vanasklasse D kan A phase-to-phase fault leads to ainvoltage drop between the faulted phases, shown in Figure 6.46. In terms of phase voltages this translated into a drop in bekomen worden door de homopolaire component uit een dip van klasse B terms verwijderen of voltage for twoCphases change in phase angle for these te two phases as well.[1]. door een dip van klasse door and eenadriehoek-ster-transformator transformeren Although the voltage between the faulted phases does not show any phase-angle

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 8

Karakteriseren van spanningsdips 456

ORIGIN OF POWER QUALITY EVENTS

456

ORIGIN OF POWER QUALITY EVENTS

Figure 6.45 Voltage dip of type B: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); Figuur 3.6: Dip B [1] phase-angle (bottom). Figure 6.45 Voltage dip of type B: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); phase-angle (bottom).

Figure 6.46 Voltage dip of type C: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); phase angle (bottom). Figure 6.46 Voltage dip of type C: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); Figuur 3.7: Dip C [1] phase angle (bottom).

9

3.

angle jump is about 208. For a zero characteristic phase-angle jump (the phaseangle jump in the voltage between the faulted phases, V  in Table 6.2), the phase-angle jump in the two faulted phases is of equal size but opposite direction. The third phase is not affected. A type C voltage dip may also be due to a singlephase fault at a higher voltage level, according to Table 6.3. Removing the zero-sequence component from a type B dip or transferring a type C dip through a Dy-connected transformer results in a type D dip, as Literatuurstudie m.b.t. van de kostprijs van spanningsdips shown in Figure 6.47. Ahet type bepalen D dip is characterized by a major voltage drop in

Figure 6.47 Voltage dip of type D: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); Figuur 3.8: Dip D [1] phase angle (bottom).

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 3.9.

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 dan bij een dip van klasse D. Door figuur 3.8 met figuur 3.10 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 [1]. Een voorbeeld van een dip van klasse G wordt gegeven in figuur 3.11. 10

Karakteriseren van spanningsdips 458

ORIGIN OF POWER QUALITY EVENTS

Figure 6.48 Voltage dip of type E: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); Figuur 3.9: Dip E [1] phase angle (bottom). 6.2 VOLTAGE DIPS 459 one phase and a minor drop in the other two phases. For a zero characteristic phaseangle jump, the voltages in the “nonfaulted phases” have the same rms voltage and phase-angle jumps that are identical in size but opposite in sign. A voltage dip of type E, as shown in Figure 6.48, is the first of three types due to two-phase-to-ground faults. A type E dip occurs for a two-phase-to-ground fault at the same voltage level as the dip measurement. It has in common with a type B dip that it contains a zero-sequence component. As with type B, this zero-sequence component depends on the ratio between the zero-sequence and positive-sequence source impedances. For unknown fault position, this ratio appears as the voltage in the nonfaulted phase. For the basic dip types in Table 6.2 it has been assumed that the voltage in this phase is not affected by the fault. For a type E dip, the rms voltage shows a drop in two phases without phase-angle jump. After a Dy-connected transformer, a type E dip changes into a type F dip. As with a type D dip, it shows a large voltage drop in one phase and a minor drop in the other two phases. But the latter voltage drop is more for a type F than for a type D dip. The phase-angle jump in these “not-faulted phases” is smaller; compare Figure 6.47 with Figure 6.49. A second Dy-connected transformer results in a type G dip for a two-phase-toground fault, as shown in Figure 6.50. The same dip results by removing the

Figure 6.49 Voltage dip of typeFiguur F: voltage3.10: waveforms Dip F(left); [1] half-cycle rms voltage (right); phase-angle (bottom).

11

3. Literatuurstudie m.b.t. van de(left); kostprijs spanningsdips Figure 6.49 Voltage dip of het type F:bepalen voltage waveforms half-cyclevan rms voltage (right); phase-angle (bottom).

Figure 6.50 Voltage dip of type G: voltage waveforms (left); half-cycle rms voltage (right); Figuur 3.11: Dip G [1] phase-angle (bottom).

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 enquˆete bij de verbruikers. Soms wordt in die enquˆete eveneens rechtstreeks naar de kost van spanningsdips gevraagd naast een bevraging over spanningsonderbrekingen. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in [10] en [11]. Onrechtstreeks kan naar de kost van spanningsdips bij een verbruiker gepeild worden door in de enquˆete 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.

3.3.1.1

Voordelen van de rechtstreekse bevraging

Indien er van de spanningskwaliteit bij een bepaalde verbruiker statistieken beschikbaar zijn, kan het de moeite lonen om voor bepaalde periode de spanningsdips die die verbruiker ervaren heeft op te zoeken en specifiek naar deze dips te peilen, eventueel in combinatie met een aantal standaarddips. Het voordeel van deze manier van bevragen is tweeledig. Ten eerste is het zo dat een verbruiker een referentie heeft voor het invullen van de kosten van de standaarddips doordat de kosten van de voorgevallen dip hem in vele gevallen bekend zijn. Ten tweede is het zo dat door het inbrengen van een aantal voorgevallen dips in de enquˆete, er een rechtstreeks verband bestaat tussen de voorgevallen dip en de door de verbruiker gerapporteerde kost. Dit kan 12

Bepalen van de kostprijs van spanningsdips

voordelen bieden om de kosten die door de verbruiker worden opgegeven voor de standaarddips te verifi¨eren. Een bijkomend voordeel van een rechtstreekse bevraging naar de kosten van spanningsdips kan de kostprijs zijn. Een enquˆete kan, afhankelijk van de gebruikte enquˆetetechniek, vrij goedkoop uitgevoerd worden en bovendien is het zo dat, indien de bepaling van de kosten van spanningsdips gebeurt in combinatie met de bepaling van de kosten van spanningsonderbrekingen, de meerkost gering is.

3.3.1.2

Nadelen van de rechtstreekse bevraging

Het nadeel van deze manier om de kost van spanningsdips te bepalen is dat er slechts naar ´e´en of enkele dips kan gevraagd worden. Dikwijls is een verbruiker ook niet in staat om te antwoorden op vragen als : “Hoeveel zal een spanningsdaling van 60 % voor 250 ms kosten?”. Verbruikers zijn namelijk in vele gevallen niet in staat om in te schatten bij welke spanningsdips ze wel wegvallen en bij welke niet. Soms zijn verbruikers in staat om, indien ze reeds weggevallen zijn ten gevolge van spanningsdips, aan te geven voor welke spanningsdips ze wegvallen en wat hiervan de kosten zijn. Echter, een verbruiker die een spanningsdip meemaakt zal hier niet altijd iets van merken. Indien de apparatuur die bij de verbruiker ge¨ınstalleerd is immuun is voor de spanningsdip die optreedt dan zal deze apparatuur niet wegvallen en zal de verbruiker ook geen schade ondervinden.

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 heeft nood aan vier groepen gegevens [12]. 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 industri¨ele processen en hun interconnectie. Tenslotte is informatie nodig omtrent de kostprijs van een uitval van de verbruiker in kwestie. 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 kostprijscalculatie 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 bovenstaande analyses worden hieronder kort toegelicht. 13

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

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, gaat bepalen 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 [13]. 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 wezen uit een oplijsting van het aantal fouten per netelement (netwerkbussen, lijnen en eventueel kabels) 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 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 industri¨ele proces • De kostprijs van het wegvallen van het proces

3.3.2.3.1 Gevoeligheidscurven 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 industri¨ele installaties gebruikt worden ontbreekt het namelijk aan gevoeligheidscurves 1 . Een voorbeeld van een gevoeligheidscurve voor motorcontactoren en ASD’s inclusief de CBEMA en de ITI curve wordt gegeven in figuur 3.12. Een manier om 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

14

curve represents typical contactor sag ride-through characteristics. It trips for voltage sags below 0.5 pu that last for more than 1 cycle. The area of vulnerability for motor contactors shown in Fig. 3.5 indicates that faults within this area will cause the end-user voltage to drop below 0.5 pu. Motor contactors having a minimum voltage sag Bepalen have van detripped kostprijs van ride-through capability of 0.5 pu would outspanningsdips when a fault

Percent of nominal voltage (rms or peak equivalent)

100 Running Running 90

Stopped

ITIC ITI 80 70 60

Running Running

50

Stopped Stopped 40 Motor contactors

30 20

ASDs ASDs CBEMA CBEMA

10 0 1 0 –1

100

101

102

103

Duration (cycles) Figure 3.6

Typical equipment voltage sag ride-through capability curves. Figuur 3.12: Gevoeligheidscurven [3]

Downloaded from Digital Engineering Libraryte@bekomen McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com) de gevoeligheidscurve van een bepaald toestel kan de fabrikant zijn maar in veel Copyright 2004 The McGraw-Hill Companies. rights reserved. gevallen beschikt een fabrikant©niet over deze karakteristieken. In datAll geval is het mogelijk om de Any use is subject to the Terms of Use as given at the website. 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 gaan doen gezien de kostprijs en de tijdsduur van deze labotesten. Een indeling van de appartuur in categorie¨en en een test per categorie uitvoeren is een mogelijkheid maar is geen garanties op correctheid aangezien zelfs twee gelijkwaardige apparaten van een verschillende fabrikant een verschillende gevoeligheid voor spanningsdips kunnen hebben.

3.3.2.3.2 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.

3.3.2.3.3 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 15

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

enquˆete. Eenmaal alle bovenstaande gegevens gekend zijn kan onderzocht worden wat de kost van spanningsdips voor een bepaalde gebruiker is. 3.3.2.4

Voordelen 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. 3.3.2.5

Nadelen van kostprijsbepaling via een netonderzoek

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 namelijk geen statisch gegeven maar evolueren voortdurend. Een aanpassing in het net zoals het uitbreiden van het net maar ook het sluiten van bepaalde koppelingen kunnen 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 noch de onderzoeker, noch de verbruiker, noch de leverancier van de apparatuur bezitten.

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 ´e´en diepte (meestal de maximale diepte) en ´e´en 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 enquˆete bij de verbruiker. Een twee methode maakt gebruik van netonderzoek aangevuld met spanningsdip- en economische analyse.

16

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. 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. 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.

4.2.1

Aanpassingen van het proces bij de eindverbruiker

Deze aanpassingen zijn weliswaar de goedkoopste maar in veel gevallen dient een grondige kennis van de processen voorhanden te zijn om deze aanpassingen te kunnen uitvoeren. 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 [8]. 17

4. Mitigatiemiddelen

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 capabilitites van de aangesloten apparatuur te verbeteren. Een andere simpele oplossing om de weerstand van sturingen tegen spanningsdips te verbeteren is deze sturingen schakelen tussen twee fasen in plaats van tussen een fase en de neutrale geleider [14].

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. Automatische herstart noodzaakt de installatie van vrij goedkope, additionele hardware.

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 herstarten, 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 ondersteund dan impliceert het gebruik van deze functie de aanschaf van een nieuwe VSD wat een veel hogere kost met zich meebrengt.

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 onder een bepaalde drempelwaarde mag zitten 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. 18

Mitigatiemiddelen

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 capaciteiten. Om echter effectief te zijn tegen driefasige dips 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.

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 rest van de voedingsspanning gelijk te richten en op te boosten tot boven de drempelwaarde waarop de frequentiedrive normaal zou afschakelen.

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.

4.2.2

Aanpassingen van de uitrusting tussen het net en de eindverbruiker

De oplijsting die volgt is in belangrijke mate gebaseerd op [3]

4.2.2.1

Ferroresonant transformatoren

Ferroresonant transformatoren of CVT’s zijn eigenlijk 1 op 1 trafo’s die hoog in hun saturatiecurve ge¨exiteerd 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 [4]. 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. Echter, dit slechts voor enkele cycli van de spanning. CVT’s worden vaak gebruikt voor belastingen kleiner dan 20 kVA, er bestaan echter ook CVT’s 19

transformers at line frequency have been used at 400 Hz on aircraft, and as high as 20 kHz.

Constant-Voltage Transformer, Regulating Characteristics The basic two-component (CVT) Ferroresonant regulator is shown in Figure 11-1. The inductor, LI, is a linear inductor and is in series with Cl across the input line. The voltage across capacitor, Cl, would be 4. Mitigatiemiddelen considerably greater than the line voltage, because of the resonant condition between LI and Cl.

LI

105- 130V

Cl ^-

O

- 400 -

ri

p

t

V0 = 120V

FigureFiguur 11-1. Two Component Ferroresonant Voltage Stabilizer. 4.1: Basis schakelschema van een CVT [4]

Voltage Sag Mitigation Equipment Cost

The voltage, Vp, can be limited to a predetermined amplitude by using a self-saturating transformer, Tl, which has high 200impedance, until a certain level of flux density is reached. At that flux density, the transformer saturates and becomes a low-impedance path, which prevents further voltage buildup across the capacitor.000 This limiting action produces a voltage waveform that has a fairly flat top characteristic as

--

shown in Figure 11-2 on each half-cycle.

800

-

600

UPS

cvrs svc

* M-G

400

200 0

25

50

100

200

300

400

kVA

Figure 11-2. Primary Voltage Waveform of a Constant Voltage Transformer. solutions to this important area. This paper will not

upon the supplier, options, and complexity of

instillation. However, provide a reasonable address their economic performance. Figuur 4.2: Vergelijking tussen de kost van mitigatiemiddelen perthey te do beschermen kVA voor comparison for these different methods for improving spanningsdips in functie van het te beschermen vermogen [5] Economic Comparison

power quality.

Figure 3 does not contain purchase prices for static tapchangers, written-pole motors, or super-conducting The static tap-changer at best requires a halfTotal Owning tot Cost = met vermogens 250 kVA. Dit zijn echter geen devices. standaard types waardoor de kost voor een cycle to change adjust voltage and generally the tap Purchase Price + 250 kVA CVT kan oplopen circaCosts $50 +000 [14]. range CVT’s dikwijls is notworden large enough to obtainovergedimensioneerd the voltages needed Present Worth oftot Operating Residual Cost oftegen Sags and Intemptions to correctwanneer the problems by voltage sags. These om voldoende bescherming dips te kunnen bieden zecaused in vollast bedreven worden. devices are normally used for voltage regulation and ight © 2004 by Marcel Dekker, Inc. All Rights Reserved. Het rendement van CVT’s ligt tussen de 70 en de 75 procent bij vollast [5]. Een overzicht not power quality improvement, per se. Written-pole followingvan will mitigatiemiddelen discusses each of these tegen cost spanningsdips motors and devise energy van deThe kostprijs incontaining functie super-conducting van het te beschermen categories. Obviously this discussion must be very storage are generally applied to very specific vermogen wordt gegeven in figuur 4.2. generic since the costs and rates must be used are a applications that require their unique characteristics, function of many variables themselves. and as such they are not considered in this paper. This paper defines total owning cost as:

Figure 3 Purchase Price for Mitigation Apparatus

4.2.2.2

Magnetische synthesizers Purchase Price

ODerating Costs

This section discusses establishing the present worth of the cost of operating a device used for power quality provides typical purchase prices een for UPSs, devices possesses transFigure 3 synthesizers improvement. Each of the discussed Magnetische gebruiken vergelijkbaar werkingsprincipe als ferroresonant CVT, MG Sets and Series Voltage Controllers. it's own set of advantages and disadvantage, formatoren, zeprices worden echter minder en minder commands gebruikt. Het verschil Clearly, the listed are at best approximate values a different price andtussen entails magnetische different since theis actual purchase price will vary dependingdriefasige operating costs. The that is kunnen used whenmaken synhesizers dat magnetische synthesizers toestellen zijn practice die gebruik

20

Voltage Sags and Interruptions 64

Mitigatiemiddelen

Chapter Three

Input

Output Energy Transfer and Line Isolation

Waveform Synthesis and Inductive Energy Storage

Capacitive Energy Storage Figure 3.17 Block diagram of magnetic synthesizer.synthesizers Figuur 4.3: Principeschema magnetische

[3]

100

Trip Voltage Percent

van alle fasen om hieruit een gezonde driefasige spanning te synthetiseren. Een principeschema van een magnetische80synthesizer 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 %CBEMA van de nominale spanning te mitigeren. Dit echter 60 slechts voor een periode van typisch een cyclus van de bronspanning. Het rendement van deze Mag. Syn. apparaten ligt bij vollast typisch tussen de 89% en de 93%. Magnetische synthesizers zijn commercieel beschikbaar met vermogens tussen 15 kVA en 200 kVA [3]. Aangezien magnetische 40 synthesizers minder en minder gebruikt worden is het echter moeilijk om een inschatting van de kost van deze toestellen te maken. [15] spreekt van een kost van $212.000 en $147.000 voor 20 magnetische synthesizers die een vermogen kunnen beschermen van respectievelijk 750 en 500 kVA, dit zijn echter vermoedelijk geen standaard producten. 0 0.1

4.2.2.3

1

10 Sag Duration in Cycles

100

1000

Actieve serie compensatoren Figure 3.18

Magnetic synthesizer voltage sag ride-through capability.

Deze toestellen, ook wel DVR’s of VSC’s genaamd, zijn in staat om tijdens een spanningsdip de saturated The waveform energy is storedteininjecteren, the satspanning op tefrom boosten door in transformers. serie met de voedingsspanning een extra spanning urated transformers and capacitors as current and voltage. This hiervoor wordt dikwijls gebruik gemaakt van een trafo in serie met de lijn. Deze toestellen energy enables the5output of adeclean waveform little harzijn beschikbaar met storage vermogens van 1 tot kVA voor bescherming vanwith kleine eenfasige monic distortion. Finally, three-phase power is supplied through a belastingen tot vermogens van 2MVA en hoger voor de bescherming in middenspanningsystemen zigzagvan transformer. 3.18 showskVA a magnetic synthesizer’s voltage [3]. Een inschatting de kostprijsFigure per te beschermen wordt gegeven door [5] in figuur sag ride-through capability as compared to the CBEMA curve, as spec4.2. Een principeschema van een DVR wordt gegeven in figuur 4.4.

ified by one manufacturer.* 4.2.2.4

3.4.3 UPS Active series compensators On-line

Advances in power electronic technologies and new topologies for these devices have resulted in new options sagvan rideEen UPS of Uninterruptible Power Supply is een toestel for dat providing door gebruikvoltage te maken een support critical of the important is batterij bank through de last kan blijven to voeden (totloads. zolangOne er voldoende capaciteitnew in deoptions batterijen aanwezig is), zowel bij een spanningsdip als bij een spanningsonderbreking. In het geval van een on-line UPS*Liebert wordt Corporation. de last steeds gevoed door de UPS. De UPS, het voedend net en de belasting staan als het ware in serie. 21 Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com) Copyright © 2004 The McGraw-Hill Companies. All rights reserved. Any use is subject to the Terms of Use as given at the website.

2. Dynamic Voltage Restorer

4.

The Dynamic Voltage Restorer (DVR), Fig.2, is designed to mitigate voltage sags on lines feeding sensitive equipment. A viable alternative to uninterruptible power systems (UPS's) and other utilization voltage solutions to the voltage sag problem, the DVR is specifically designed for large loads (2 MVA and up) served at distribution voltage. A DVR is expected to be a lower cost alternative to UPS for applications at distribution voltage. A DVR typically requires less than one-third the Mitigatiemiddelen nominal power rating of the UPS. Also, the DVR can be used to mitigate troublesome harmonic voltages on the distribution system. The DVR is available in 2 MVA increment sizes up to 10 MVA.

Fig. 2. Schematic diagram of DVR System. Figuur 4.4: Werkingsprincipe actieve serie compensatoren [6]

4.2.2.5

The majority of voltage sags are within 40% of the nominal voltage. Therefore, by designing drives and other critical loads, capable of riding through sags, with magnitude of up to 40%, interruption of processes can be reduced significantly. The DVR can correct sags resulting from faults in either the Standbyor UPS transmission the distribution system. 86

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.

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.

4.2.2.7

Motor generator set

Deze vrij oude manier van immunisatie maakt gebruik van een motor die een generator aandrijft die op zijn beurt de last voedt. Een vliegwiel op dezelfde als zorgt voor een grote draaiende inertie zodanig dat spanningsdips en korte spanningsonderbrekingen kunnen opgevangen worden.

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. 22

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.

4.2.2.10

Statische en automatische overschakeling

Statische schakelaars zijn in staat om van de ene voeding naar de andere over te schakelen in een tijdspanne van enkele seconden. Via automatische omschakelaars is het mogelijk om binnen 2 cycli van de ene voeding op de andere over te schakelen. Dit kan voldoende zijn om vele gevoelige lasten te beschermen.

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 al dan niet automatische overschakeling.

4.2.3.2

Herstructurering van het net

Door een herstructurering van het voedende net is het mogelijk om een grotere betrouwbaarheid bij een bepaalde verbruiker te bekomen. Het spreekt voor zich dat dit een zeer dure operatie is.

4.2.3.3

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 economie¨en waar spanningsonderbrekingen schering en inslag zijn ten gevolge van het niet snel genoeg ontwikkelen van het voedende net [10].

4.2.3.4

Minimaliseren van de schade

Soms is het te duur om ´e´en 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. 23

4. Mitigatiemiddelen

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 industri¨ele sector op dezelfde manier gebruik maakt van mitigatiemiddelen wordt in het model gebruik gemaakt van een tabel die per sector aangeeft wat het aandeel van de verschillende mitigatiemiddelen gemiddeld gezien is in elke sector (zie tabel 4.1).

24

landbouw

handel/diensten

transport

textiel en leer

bouw

houtnijverheid

drukkerijen en papierdeeg

extractieve nijverheid

machines

transportmateriaal

Niet-metaalhoudende mineralen

Non-ferrometalen

chemie

ijzer en staal

petroleumraffinaderij

cokes en gasfabriek

steenkoolagglomeraten

energiesector

Tabel 4.1: Overzicht welke mitigatiemiddelen in welke sector gebruikt worden

25

Sectoraal gebruik mitigatiemiddelen

Automatische herstart Restart on the fly Aanpassen beveiligingen Kinetische buffering DC-bus buffering Boost converter Active front end Ferroresonant transformator 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

26

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 van hoofdstuk 3, uitgebreidt met een analyse voor spanningsonderbrekingen. In dit hoofdstuk wordt het 39-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 39-busnetwerk

6.3

De fouten-analyse

6.4

De economische analyse

6.5

Besluiten

27

Hoofdstuk 7

Besluit

28

Bibliografie [1] M. H. J. Bollen en I. Y. Gu, Signal Processing of Power Quality Disturbances, M. E. El-Hawary, Ed. IEEE Press - Wiley-interscience, 2006. [2] 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. [3]

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

[4] C. W. T. McLyman, Transformer And Inductor Design Handbook, M. O. Thurston, Ed. Marcel Dekker, 2004. [5] 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. [6] 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. [7] IEC COM 8, “Geregistreerde Belgische norm: Spanningskarakteristieken in openbare elektriciteitsnetten: NBN EN 50160,” BEC/BIN/CENELEC, Tech. Rep., 1999. [8] 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. [9] 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. [10] 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. [11] 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. [12] 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. 29

Bibliografie

[13] 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. [14] 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 [15] 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.

30