Jonas Kehr, Salgchef ABB Danmark. Spændingskvalitet Udfordringer og løsninger

Transkript

1 Jonas Kehr, Salgchef ABB Danmark Spændingskvalitet Udfordringer og løsninger

2 Spændingskvalitet løsninger til alle udfordringer fra ABB Active Filter PQF A - Harmonics - Nuetral current

3 Agenda Spændings forstyrrelser Harmoniske forstyrrelser Standarder og grænserværdier Nulstrømme Produkter Kunde cases Energi besparelser

4 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Power supply The power that comes into your facility is at the mercy of The weather Road accidents Animals Vegetation Every other business on the line before you ABB Group December 3, 2014 Slide

5 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Prevent costly shutdowns Network voltage sags and surges along with short outages are common and often cause electronics to self protect by switching off When this occurs in a critical control operation it can cause a complete shutdown of a facility According to EPRI (Electrical Power Research Institute), sags account for >92 % of PQ events Facilities do not get advance warnings of impending sags ABB Group December 3, 2014 Slide

6 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Voltage Sag at Novo Nordisk Feb-2014 ABB Group December 3, 2014 Slide

7 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Introduction The PCS100 AVC is a unique product that regulates the voltage and protects the customer s facility against power quality events like sags and swells. The PCS100 AVC takes the raw power from the electric utility and outputs regulated premium power for the factory or commercial premise PCS100 AVC does not have batteries, capacitors, or other storage elements The advantages of not having energy storage that the AVC is small, energy efficient, reliable and has very low ongoing costs ABB Group December 3, 2014 Slide

8 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Single line diagram Utility Voltage PCS100 AVC Correction Voltage Output Voltage 3 phase Utility Supply Input Circuit Breaker PCS100 AVC Injection Transformer 3 phase Load Output Distribution Transformer Aux Circuit Breaker Inverter and Bypass Auto Transformer (220 V Supply) Rectifier ABB Group December 3, 2014 Slide

9 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Generic performance Voltage Fluctuation Sags Swells Voltage Unbalance Phase Angle Errors Continuous ONLINE regulation between 90 percent and 110 percent of supply voltage Full correction Three-phase sags down to 60 percent remaining voltage Single-phase sags down to 40 percent remaining voltage Partial correction Three-phase sags down to 30 percent remaining voltage Single-phase sags down to 0 percent remaining voltage Swell correction Voltage unbalance correction Voltage vector phase angle correction Flicker mitigation

10 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner No protection against PQ events Utility Sag ABB Group December 3, 2014 Slide

11 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Sag (Dip) protection Utility Sag Injection Transformer Inverter and Bypass Rectifier ABB Group December 3, 2014 Slide

12 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Swell (over voltage) protection Utility Swell Injection Transformer Inverter and Bypass Rectifier ABB Group December 3, 2014 Slide

13 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner 50 percent retained voltage single phase sag Transmission Line Sag AVC Input AVC Output Phase and Magnitude Correction ABB Group December 3, 2014 Slide

14 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner 70 percent retained voltage three phase sag Transmission Line Sag AVC Input AVC Output Magnitude Correction ABB Group December 3, 2014 Slide

15 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner 0 percent retained voltage single phase sag Transmission Line Sag AVC Input AVC Output Partial Phase and Magnitude Correction ABB Group December 3, 2014 Slide

16 Agenda Spændings forstyrrelser Harmoniske forstyrrelser Standarder og grænserværdier Nulstrømme Produkter Kunde cases Energi besparelser

17 Harmoniske forstyrrelser Hvad er spændingskvalitet Lille reaktivt effekt behov Cos Phi > 0.9 (50Hz, basseret på H1) PF= Cos Phi (Basseret på Cos Phi + H2-H50) THDV < 5% Total harmonic distorsion voltages Total Harmonisk Spændings Forstyrrelse THDI < 10% Total harmonic distorsion current Total Harmonisk Strøm Forstyrrelse Symetrisk belastet fasestrøm Ingen 50 Hz nul-strøm Kan disse parametre overholdes er spændingskvaliteten i orden!!!

18 Harmoniske forstyrrelser Hvad er spændingskvalitet THDI = 25,1% er ikke god spændingskvalitet THDV = 14% er ikke god spændingskvalitet Eksempel: Varmepumper med 400V AC- drev Cos Phi = 0,98 PF = 0,94

19 Harmoniske forstyrrelser Hvad er spændingskvalitet THDV = 13,8% er ikke god spændingskvalitet THDI = 50% er ikke god spændingskvalitet 5. harm. = 404 A Eksempel: Kran med 1200 kva 690V DC-drev Cos Phi = 0,27 er ikke god spændingskvalitet

20 Harmoniske forstyrrelser Hvor kommer harmoniske forstyrrelser fra? Power elektronik Konvertere Frekvensomformere Svejseværker LED Computere Printere Fax maskiner Sparepærer UPS anlæg ABB Group December 3, 2014 Slide 20

21 Harmoniske forstyrrelser Eksempel Stationær PC Spænding og strøm fra en stationær PC. Frekvens og amplitude spektrum. Bemærk DC indhold samt de mange ulige og lige frekvenser. Samt faldende amplitude med stigende frekvens.

22 Harmoniske forstyrrelser Eksempel Stor laserprinter Spænding og strøm fra en stor laserprinter. Strøm en fin trappekurve. Frekvens og amplitude spektrum. Bemærk DC indhold samt de mange store ulige og små lige frekvenser. Samt den typiske faldende amplitude med stigende frekvens.

23 Harmoniske forstyrrelser Eksempel Fladskærms TV Spænding og strøm fra en fladskærms TV. Frekvens og amplitude spektrum. Bemærk DC indhold samt de mange ulige og lige frekvenser. Samt faldende amplitude med stigende frekvens.

24 Harmoniske forstyrrelser Eksempel Microbølgeovn Spænding og strøm fra en mikrobølgeovn. En stor faseforskydning, som ser ud til at være kapacitiv, men strømtangen skulle være vendt til induktiv. Frekvens og amplitude spektrum. Bemærk det meget lille DC indhold samt de få ulige harmoniske frekvenser. Samt faldende amplitude med stigende frekvens.

25 Harmoniske forstyrrelser Eksempel Sparepære Strøm, spænding, harmoniske, THDV og THDI for 7 sparepære.

26 Harmoniske forstyrrelser Eksempel Almindelig husstand Strøm, spænding i fasen og nullen, samt harmoniske i nullen, optaget en alm. Aften i et alm. hus. DC indhold kan kræve fejlstrømsafbryder type B

27 Harmoniske forstyrrelser Hvordan ser strømmen ud fra et 6puls frekvensomformer?

28 Harmoniske forstyrrelser Sådan. i principet

29 Harmoniske forstyrrelser Grundtone (50Hz)

30 Harmoniske forstyrrelser Grundtone (50Hz) + 5. harmonisk

31 Harmoniske forstyrrelser H1 + H5 + H7

32 Harmoniske forstyrrelser H1 H13

33 Harmoniske forstyrrelser H1 H25

34 Harmoniske forstyrrelser Modmoment 5, 11, 17, 23 harmoniske L1 L2 L3

35 Harmoniske forstyrrelser Påvirkning ved stigende harmoniske strømme Total harmonisk forstyrrelse 0% 33% 39% 44% Peak 100% 133% 168% 204% RMS 100% 105% 108% 110% è è Stigende peak strøm på sinuskurven Stigende RMS strøm på sinuskurven

36 UPS-anlæg Crest faktor Almindelige UPS anlæg har en Crest faktor på 3:1 Forsages af harmoniske strømme Ipeak IRMS Imid Kan have konsekvenser for Invertere

37 Harmoniske forstyrrelser Resonans Induktive modstande er stigende med frekvensen Kapacitive modstande falder med frekvensen Resonans frekvensen kan beregnes med følgende formel:

38 Harmoniske forstyrrelser Resonans U Kabler, transformere og laster indeholder induktive reaktanser Laster med elektronik indeholde kapacitive reaktanser. Fx. Datacentre er hovedsagelige kapacitive med en leading PF på 0,9-0,8. En løsning på resonans problemmet er aktive filtre, samt de-tuned kondensatorer med reaktorer

39 Harmoniske forstyrrelser Problemer genereret af Harmoniske forstyrrelser Harmonisk strøm kan medfører overophedning og i nogle tilfælde brænde komponenter og kabler af.

40 Harmoniske forstyrrelser Problemer genereret af Harmoniske forstyrrelser Tab i viklinger & jern Skin effekt: Harmoniske strømme vil løbe i det yderste af kobberlederen, da denne er højfrekvent. Drift forstyrrelser Afbrændt isolering

41 Agenda Spændings forstyrrelser Harmoniske forstyrrelser Standarder og grænserværdier Nulstrømme Produkter Kunde cases Energi besparelser

42 Standarder og grænseværdier Rekommandation 16 (EN 50160)

43 Standarder og grænseværdier IEC EU grænser for installationen

44 Standarder og grænseværdier IEC harmoniske grænser LED Armaturer med P 25W skal overholde mindst en af grænseværdierne: 3 harmonisk strøm 86% af den fundamentale og 5 harmonisk strøm 61% af den fundamentale Må ikke overstige følgende værdier: Harmonisk [n] Maximal tilladt harmonisk strøm per watt [ma/w] Maximal tilladt harmonisk strøm [A] n 39

45 Standarder og grænseværdier Oversigt over globale krav DEFU R16 IEC G5/4 IEEE519 DNV ABS Danmark Europa Storbritanien USA Offshore Offshore Max THDV 8% 8% 5% 5% 5% 5% Max 3. harm 5% 5% 4% 3% 3% 3% Max 5. harm 6% 6% 4% 3% 3% 3% ABB anbefaler at designe til THDV max 5% IEC/EN grænseværdier sænkes til THDV max 5% i næste revision

46 Standarder og grænseværdier Papirfabrik uden tekniske problemer THDV = 5% Papirfabrik med tekniske problemer THDV = 5% ABB anbefaler at designe til THDV max 5% Men, THDV = 5% er ikke altid godt nok!!!

47 Agenda Spændings forstyrrelser Harmoniske forstyrrelser Standarder og grænserværdier Nulstrømme Produkter Kunde cases Energi besparelser

48 Nulstrømme Tredje harmoniske strømme 3. harmonisk strøm (hver fase har samme vinkel derfor opsummeres strømmen I nullen) N L1 L2 L3

49 Nulstrømme Skæv belastning Vektor diagram af skæv belastning med nulstrøm til følge L1= 100 A L2 = 80A L3 = 60A N= 40 A L3= 60 A L2= 80 A

50 Nulstrømme Skæv belastning Vektor diagram af skæv belastning, hvor filterstrømme og resulterende strømme er indsat!!! Filterstrøm L1= 20 A L1= 100 A Resulterende L1= 80 A L3= 60 A Filterstrøm L3= 20 A L2= 80 A Resulterende L3= 80 A

51 Nulstrømme Skæv belastning Vektor diagram af belastning, hvor det Aktive Filter har rette op på fase strømmene og hvor de resulterende strømme er indsat!!! Den resulterende nul-strøm er lig 0,0 A L2 = 80 A L1= 80 A L3 = 80 A L2= 80 A L3= 80 A

52 Agenda Spændings forstyrrelser Harmoniske forstyrrelser Standarder og grænserværdier Nulstrømme Produkter Kunde cases Energi besparelser

53 Produkter ABB aktive filter type: PQFS 50/60 Hz Op til 4 parallelkoblede anlæg Individuel regulering af 2nd-50th harmoniske strøm Muligheden for at vælge og fjerne individuelle harmoniske overtoner Udligner skæv belastning på faseledere i både 3- og 4-leder systemer (50 Hz nulstrøm fjernes) Aktivt fjerne nulstrøm 208 V U 240 V and 380 V U 415 V 30 Line current [A] NY Nulstrømme = 3 x nominel strøm max 270 A

54 Produkter ABB aktive filter type: PQFM I [A] Small V U 480V 480V < U 600V I [A] Medium * I [A] Large 150 Nr harms * For system voltages > 600V, the current rating may be derated automatically depending on the operating temperature 50/60 Hz Op til 8 parallelkoblede anlæg Individuel regulering af 2nd-50th harmoniske strøm Muligheden for at vælge og fjerne individuelle harmoniske overtoner Udligner skæv belastning på faseledere i 3- leder systemer (50 Hz nulstrøm fjernes)

55 Produkter ABB aktive filter type: PQFI 208 V U 480V 480V < U 690V I [A] Large * I [A] Small Nr harms * For system voltages > 600V, the current rating may be derated automatically depending on the operating temperature 50/60 Hz Op til 8 parallelkoblede anlæg Individuel regulering af 2nd-50th harmoniske strøm Muligheden for at vælge og fjerne individuelle harmoniske overtoner Udligner skæv belastning på faseledere i 3- leder systemer (50 Hz nulstrøm fjernes)

56 ,3-1, ,3-1, Produkter Den bedste løsning til harmoniske problemer Aktive filtre Filtrerings princip: For at fjerne de harmoniske strømme genererer filteret en harmonisk strøm i modfase, svarende til den målte. Sinuskurve Ren sinus kurve Belastnings Kurve Aktiv filter Kurve Harmonisk = +

57 Produkter Tekniske fordele ved anvendelse af Aktiv Filter Selektiv eliminering af harmoniske strømme 20 forskellige harmoniske strømme fjernes på samme tid RMS/PEAK strømmen reduceres i faselederene Installationens kapacitet øges, riciko for utilsigtede udkoblinger af brydere/sikringer under motorstart reduceres og skin-effekt i ledere afhjælpes Nul-strøm fjernes totalt Kabler og koblingsmatriel med reduceret nul pol. aflastes. Riciko for overbelastning af nulskillestyker eller lign. fjernes Potentiale forskelle imellem Nul- og PE leder elimineres Fejl i elektronik og IT udstyr, som følge af potentiale forskelle, kan forårsage uønskede driftstop Cos Phi reguleres trinløst uden indkoblingsstrømme Spændingsdyk fra kondensator indkobling undlades, da der kobles via IGBT-teknologi IEC/EN harmoniske grænseværdier overholdes Mulighed for at indstille grænseværdier for alle harmoniske strømme samt måling af disse via closed loop styresystem Udbalancering af skæv belastning i L1-L2-L3 50 Hz nulstrøm fjernes og fasespændninger harmoniseres

58 Produkter PCS100 RPC Levere hurtig og dynamisk reactiv effekt Optimering af Power Factor Udligner skæv belastning på faseledere i 3- leder systemer (50 Hz nulstrøm fjernes) Fjerne harmoniske strømme 5-7 harm. Spændingsstabilisere

59 Produkter Montering af aktive filtre Aktiv effekt Transformer Strøm måling closed loop Hovedtavle V Harmonisk strøm og Reaktiv Reaktiv effekt effekt AC/CD Frekvensomformer DOL-mtorer Aktiv Filter RPC

60 PCS100 AVC, Active Voltage Conditioner Standard offering Nominal ratings range 30 percent correction 200 to V 50 Hz 40 percent correction 150 to V 50 Hz Power system Three phase, center ground ref Supply over voltage cat 3 Fault capacity >40 ka (model specific) Correction response Initial <250 micro seconds Complete < 0.5 cycle Regulation accuracy +/-1 percent typical to +/-2 percent maximum Efficiency > 98 percent (typical 99 percent) ABB Group December 3, 2014 Slide

61 Agenda Spændings forstyrrelser Harmoniske forstyrrelser Standarder og grænserværdier Nulstrømme Produkter Kunde cases Energi besparelser

62 Kunde cases Løsninger til marine branchen DFDS sparer 20% diesel med PCS100 teknologi Royal Greenland Fiskebåd installerer 300A Aktiv Filter og sikrer 100% drifttid Wärtsila fjerner harmoniske strømme på 6 skibe og opfylder DNV krav til harmoniske. Scandlines installerer Fasekompensering på 2 skibe og tjener pengene hjem på < 1 år Mærsk sikrer stabil 50/60Hz konvertering med PCS100 SFC løsning Den danske Flåde i korsør har investeret mere end 10 MDKK på PCS100 teknologi der leverer landstrøm til deres skibe ABB Group December 3, 2014 Slide 62

63 Kunde cases Dansk Medie Hus (60A Aktiv Filter) Uden Aktivt Filter Med Aktivt Filter Elektrisk udstyr I serverum for Radio/TV produktion. Store Nulstrømme medfører at elektronisk udstyr bryder sammen Nulstrøm = 140A Ubalanceret last = 100A Høj 3th harmonisk strøm Neutral current < 30A Ubalanceret last = < 40A Lav 3th harmonisk strøm ABB Group December 3, 2014 Slide 63

64 Kunde cases Vejen Varmeværk (150A Aktiv Filter) THDI = 25,1% 6puls Drev Pumper styret med 6puls AC-drev anvendt til fjernvarme. Den høje spændingsforstyrrelse medfører produktions stop. THDV = 14% Høj spændingsforstyrrelse ABB Group December 3, 2014 Slide 64

65 Kunde cases Ålborg Portland (800kVAr RPC) THDI = 47% Høj THDI grundet 6puls DC-Drev 6puls DC-drev til cement produktion. Den høje spændingsforstyrrelse medfører produktions stop. THDV = 14% Høj spændingsforstyrrelse ABB Group December 3, 2014 Slide 65

66 Kunde cases Telecom Gen-set (100A Aktiv Filter) THDI = 25% Elektronisk udstyr 3F/1F Uden Aktivt Filter Med Aktivt Filter THDI = <2% Perfekt Sinuskurve Elektronisk udstyr anvendt til Remote Telecom signal. Generator forsynet. Den højespændingsforstyrrelse medfører nedbrud af det elektroniske udstyr, samt generator nedbrud. THDV = 13% Høj risiko for nedbrud THDV = <3% Perfekt Sinuskurve ABB Group December 3, 2014 Slide 66

67 Kunde cases Produktionsforstyrrelser (100A Aktiv Filter) De harmoniske strømme og spændinger er målt, for at se om indholdet af disse, kan udgøre en dårlig spændingskvalitet. Det kan konkluderes at spændingsforstyrrelsen (THDV) ikke udgøre nogen videre risiko for dårlig spændingskvalitet. Dette skyldes at forsyningsnettet er krafttig, grundet to stk KVA transformere. Når man derimod kigger på strømforvrængningen (THDI) kan vi dog konkludere, at der i det normale driftsmønster er en gennemsnitlig harmonisk strøm på 20% af 500A hvilket svare til 100A THDI.

68 Kunde cases Med og uden aktivt filter Spændings måling 650 kw AC-drev Spændingens sinuskurve er forstyrret 8,2 % THDV 650 kw AC-drev med Aktiv Filter Spændingens sinuskurve er normal 2,2 % THDV Spændingsfald er reduceret

69 Kunde cases Med og uden aktivt filter Strøm måling 650 kw AC-drev Strømmens sinuskurve er markant forstyrret 30 % THDI 650 kw AC-drev med Aktiv Filter Strømmens sinuskurve er normal 4 % THDI RMS strømmen er reduceret med 5%

70 Kunde cases Med og uden aktivt filter 650 kw AC-drev 650 kw AC-drev med Aktiv Filter

71 Kunde cases PCS100 AVC - Singapore

72 Kunde cases PCS100 AVC - Singapore

73 Agenda Spændings forstyrrelser Harmoniske forstyrrelser Standarder og grænserværdier Nulstrømme Produkter Kunde cases Energi besparelser

74 Spændingskavlitet og energi besparelser Der er penge at spare Aktiv Filter PQF I alle tilfælde vil et Aktiv Filter der fjerner harmoniske strømme bidrage til energi besparelser, da der fjernes et væsentligt tab i installationen. Der kan typisk opnås 0-3% energi besparelser hos industri kunder med THDI > 20% og THDV >5% I mange tilfælde vil kunderne også opleve færre drift forstyrrelser med Aktiv Filter installeret, som kan bidrage til kort tilbagebetalingstid. ABB Group December 3, 2014 Slide 74

75 Spændingskavlitet og energi besparelser Der er penge at spare Reactive Power Conditioner PCS100 RPC I alle tilfælde vil PCS100 RPC kompenserer reaktiv effekt og fjerner 5. & 7. harmoniske bidrage til energi besparelser, da der fjernes et væsentligt tab i installationen. Der kan typisk opnås 0-3% energi besparelser hos industri kunder med CosFI < 0,8, THDI > 20% og THDV >5% ABB Group December 3, 2014 Slide 75

76 Spændingskavlitet og energi besparelser Der er penge at spare Active Voltage Conditioner PCS100 AVC I alle tilfælde vil kunderne opleve markant færre drift forstyrrelser med PCS100 AVC installeret, og typisk er tilbagebetalingstiden < 2år pga. stabil drift i produktionen Det er også muligt at opnå energi besparelser ved at regulere spændingen til et optimalt niveau. Sænkes spændingen til f.eks 220V kan der typisk opnås 3-5% energi besparelse (last afhængigt) I særlige tilfælde kan der opnås energibesparelser helt op til 10-15% ABB Group December 3, 2014 Slide 76

77 PCS100 AVC DSB sparer penge For at opnå energibesparelser har DSB valgt at installere en ABB PCS100 AVC (Aktiv spændings stabilisator) AVC enheden er installeret ved hovedtavlen i den store service bygning hvor togene serviceres. Belastningen på den samlede installation er et mix af lys, motor og anden last. PCS100 AVC Placering ABB Group December 3, 2014 Slide 77

78 PCS100 AVC DSB sparer penge Som det ses på billedet er installeringen af AVC-enheden ret simpel. AVC-enheden forsynes fra hovedtavlens fødekabel og tilkobles hovedskinnerne. PCS100 AVC location ABB Group December 3, 2014 Slide 78

79 PCS100 AVC DSB sparer penge Spændingen reduceres fra 234V to 207V Strømmen reduceres med 18% kw reduceres med 13% Voltage Current kw kvar kvar reduceres med 37% Seconds AVC slukket ABB Group December 3, 2014 Slide 79

80 PCS100 AVC DSB sparer penge Spændingen reduceres fra 234V to 207V 65,00 kw 60,00 kw reduceres med 13% 55,00 50,00 kw 45,00 40, Seconds ABB Group December 3, 2014 Slide 80

81