FI120808B - Sähköverkon harmonisten kompensoiminen - Google Patents

Description

Sähköverkon harmonisten kompensoiminen

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy sähköverkon harmonisten kompensointiin ja erityisesti hajautettavasi! usealla yksiköllä suoritettavaan kompensointiin.

5 Useat teollisuuden ja kotitalouksien sähkölaitteet ottavat sähköver kosta virtaa, jonka käyrämuoto poikkeaa ideaalisesta eli sinimuotoisesti vaihte-ievasta käyrämuodosta. Ottaessaan virtaa sähköverkosta tällaiset laitteet aiheuttavat sähköverkkoon virtayliaaitoja, eli harmonisia komponentteja. Usein laitteiden tuottamat yliaallot muodostuvat sähköverkon perustaajuuden tiettyjen 10 kerrannaisten taajuuksille. Mikäli yliaaltojen suuruus jakeluverkossa kasvaa, muodostuu sähkön laatu niin heikoksi, että sähkölaitteet eivät välttämättä toimi täi muodostavat riskitekijän henkilö- tai laiteturvallisuudelle.

Yliaaltoja muodostavista laitteista esimerkkeinä voidaan mainita tasasuuntaajat ja erilaiset katkojat. Yksinkertainen dioditasasuuntaaja muodosta taa syöttävästä jännitteestä tasajännitettä ja ottaa verkosta virtaa ainoastaan verkon jännitteen ollessa tasasuunnattua jännitettä suurempi. Virtaa otetaan verkosta tyypillisesti ainoastaan syöttävän verkon jännitteen huippujen kohdalla, jolloin virta on pulssimaista, ja muodostaa siten yliaaltoja verkkoon.

Jakeluverkoissa verkon harmonisia komponentteja on tyypillisesti 20 pyritty kompensoimaan käyttämällä passiivisia suodattimia, jotka muodostavat :: imupiirejä tietyille taajuuksille, joilla harmonista komponentteja esiintyy.

• · · Erityisesti teoilisuusympärlstössä verkon harmonisia on pyritty kom- :V: pensoimaan käyttäen erikseen tähän tarkoitukseen suunniteltuja aktiivisia : verkkosiltoja, jotka mittaavat verkon yiiaaitosisältöä ja mittauksen perusteella ·*·.. 25 syöttävät verkkoon sellaista virtaa, joka kompensoi verkon mitattuja harmoni- .···. siä. Erillisenä sähköteknisenä laitteena aktiivisen sillan käyttäminen kompen sointiin on kallis ratkaisu ja laitteen kompensointikapasiteettr on rajallinen. Kompensoitavien harmonisten yliaaltojen suuruuksien kasvaessa laitteita tulee I.. kytkeä samaan verkkoon useita. Kukin kompensointiiaite on itsenäinen yksik- • · 30 könsä, joten kompensoinnin toteuttaminen tällaisilla useilla rinnakkaisilla lait- teillä on haastavaa.

• · ....

• · . Keksinnön lyhyt selostus ·»· • · *···" Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä ja menetelmän : V toteuttava järjestelmä siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua.

35 Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja järjestelmällä, joille on tunnus- 2 omaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että harmonisten kompensoiminen hajautetaan siten, että useat eritehoiset ja fyysisesti toisistaan erillään olevat kom-5 pensointiyksiköt osallistuvat harmonisten kompensointiin yhdeltä laitteelta saatavan kompensointiohjeen perusteella.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla voidaan toteuttaa yksinkertaisella tavalla laajennettavissa oleva järjestelmä harmonisten kompensoimiseksi, jossa järjestelmässä kompensointiin osallistuvat yksiköt ovat osittaisella kuormi-10 tukseiia toimivia aktiivisia suuntaajia ja mahdollisesti tätä tarkoitusta varten muodostettuja erillisiä kompensointiyksiköitä. Keksinnön jäijestelmän avulla verkon harmonisia komponentteja voidaan pienentää käyttäen useita eri laitteita samassa verkossa yksinkertaisella tavalla. Esimerkiksi teollisuuslaitoksessa voi olia jatkuvasti useita osateholia toimivia verkkovalhtosuuntaajia. Keksinnön 15 ratkaisulla verkkovaihtosuuntaajien vapaana olevaa kapasiteettia voidaan käyttää harmonisten kompensoimiseen.

Keksinnön kohteina ovat myös kompensointiyksikkö sekä laite sähköverkon harmonisten komponenttien kompensoimisen ohjaamiseen. Keksinnön menetelmä ja järjestelmä voidaan toteuttaa yksinkertaisella tavalla käyt-20 tämäifä keksinnön kompensointiyksikköä ja laitetta.

• m

Kuvioiden lyhyt selostus • · : Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh- :Vi teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: ! Kuvio 1 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen järjestelmän sovel- ·*·.. 25 tamisesta; .**·. Kuvio 2 on lohkokaavioesitys erään suoritusmuodon mukaisesta harmonisten virtasekvenssien määrittämisestä; ..... Kuvio 3 on lohkokaavioesitys kompensointiyksikön harmonisen vir- • · · ran ohjeen määrittämisestä erään suoritusmuodon mukaisesti; ja ’·:** 30 Kuviot 4 ja 5 esittävät esimerkkejä harmonisten virtojen hallittuun tuottamiseen kykenevistä kytkennöistä.

• · . Keksinnön yksityiskohtainen selostus * · ]··;* Kuviossa 1 on esitetty periaatteellinen kuva verkkojärjestelmästä, • V jossa sovelletaan keksinnön menetelmän toteuttavaa keksinnön mukaista jär- 35 jestelmää, Kuvion 1 järjestelmässä on kolmivaiheinen sähköverkko 9, joka 3 syöttää moottoreita M taajuusmuuttajien 5, 7 välityksellä. Edelleen kuviossa 1 on esitetty verkkoon liittyneenä kompensolntfyksikkö 6, jonka tehtävänä on ainoastaan kompensoida verkon harmonisia komponentteja, ja kuormaa syöttävä diodisilta 8. Taajuusmuuttajan 7 verkkosiltana on esitetty diodisilta, joka 5 toimii diodisillan 8 kanssa samalla tavoin ja tuottaa verkkoon harmonisia komponentteja.

Taajuusmuuttajan 5 verkkosika on puolestaan toteutettu aktiivisiila kytkimillä, mikä mahdollistaa tehon syöttämisen takaisin verkkoon päin. Tällöin mahdollistuu myös verkon harmonisten kompensoiminen vastaavalla tavalla 10 kuin tätä tarkoitusta varten toteutetulla kompensointiyksiköllä 6.

Keksinnön mukainen järjestelmä harmonisten kompensoimiseksi sähköverkossa käsittää mittausyksikön 1, joka on sovitettu mittaamaan kompensoitavaa sähköistä suuretta. Tällainen mitattava sähköinen suure on esimerkiksi virta, jännite tai loisteho. Edelleen järjestelmä käsittää säätöyksikön 2, 15 joka on sovitettu määrittämään mitatun kompensoitavan sähköisen suureen harmonrssisältöä sekä määrittämään kompensoitavia harmonisia vastaavat ohjearvot.

Edelleen keksinnön mukaisessa järjestelmässä on kuvion 1 esittämällä tavalla yksi tai useampia kompensointiyksiköita 5, 6. Kompensointiyksi-20 köt on yhdistetty tietoliikenneyhteydellä 3 säätöyksikköön 2, jolloin kompen-sointiyksiköt tuottavat säätöyksikön lähettämän ohjearvon mukaisia harmonisia ]· " komponentteja verkkoon kunkin kompensointiyksikön kapasiteetin puitteissa.

: Kompensoitavana sähköisenä suureena voi olla esimerkiksi verk- • · v.: koon syötetty virta, jolloin järjestelmä mittausyksikkö 1 mittaa liityntäpisteen 4 25 virran ja pyrkii ohjaamaan kompensointiyksiköita 5, 6 siten, että liityntäpisteen 4 virran käyrämuoto saadaan käyrämuodoltaan tavoitelluksi, eli tyypillisesti si-:*·*: nimuotoiseksi.

»M

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti säätöyksikkö mää-rittää harmonisen komponentin ohjearvon vaihekulman suhteessa verkkojän- • · · 30 niiteen perusaailon vaihekulmaan, ja välittää tämän tiedon kompensointiyksi- **:** koille tietoliikenneyhteyttä 3 pitkin. Näin toimittaessa voidaan tietoliikenneyh- • « teytenä käyttää yhteyttä, joka ei ole reaaliaikainen. Tällaisena tietoliikenneyh- **·**: teytenä voidaan mainita kenttäväyläyhteys. Kompensointiyksiköt puolestaan .·*·. määrittävät verkkojännitteen perusaailon vaihekulman, ja suhteuttavat välitetyn • · 35 ohjearvon tähän perusaailon vaihekulmaan. Mahdollisesta hitaasta yhteydestä • i • t 4 huolimatta kompensointiyksiköt pystyvät muodostamaan kompensointiin tarvittavat sisäiset ohjearvot riittävän nopeasti.

Edelleen keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti säätöyksikkö määrittää kompensointiyksiköilie lähetettävien harmonisten kom-s ponenttien ohjearvot suhteeliisarvoina siten, että kunkin kompensoitavan harmonisen amplitudin ohjearvo on välillä 0...100%. Kompensointiyksiköt suhteuttavat suhteellisena esitetyt harmonisten amplitudien ohjeet määrittelyn mukaisesti joko omaan nimeliiskapasiteettiinsa tai vaihtoehtoisesti vapaana olevaan kapasiteettiinsa. Kompensointiyksiköt muodostavat suhteellisista ohjearvoista id absotuuttiasteikoiia esitetyt ohjearvot harmonisten amplitudeille, jotka kompen-sointiyksikön sisäinen säätöpiiri pyrkii toteuttamaan. Tässä yhteydessä abso-iuuttiasteikolla esitetyllä ohjearvolla tarkoitetaan sellaista arvoa, joka voidaan yksikäsitteisesti muuttaa SI-järjestelmän mukaiseksi suureeksi. Suhteellisen esityksen avulla kompensointikuorma saadaan jaettua kompensointiresursseil-15 taan erisuuruisten kompensointiyksiköiden kesken.

Seuraavansa keksintöä selitetään tarkemmin erään edullisen suoritusmuodon yhteydessä tähän kuitenkaan rajoittumatta. Selitetyssä suoritusmuodossa kompensoitavana harmonisena on virran 5. harmoninen negatiivinen sekvenssi. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti mittausyksikkö 20 1 mittaa liityntäpisteen virran ja säätöyksikkö 2 määrittää sen harmoniset kom- . . ponentit taajuusanalyysin avulla. Avaruusvektoriesitystä hyödyntävien laittei- • # * [· " den tapauksessa on edullista taajuusanalyysin avulla määrittää harmonisia : sekvenssejä vastaavat virran avaruusvektorit. Kolmivaiheverkossa tyypillisesti • · :.v suurimmat harmoniset sekvenssit ovat 5. harmonisen negatiivinen sekvenssi, j,j j 25 7. harmonisen positiivinen sekvenssi sekä 11. harmonisen negatiivinen ja 13.

harmonisen positiivinen sekvenssi. Positiivisen sekvenssin avaruusvektori pyö-rii positiiviseen suuntaan, eli verkon jännitteen perusaallon suuntaan. Negatii- ··« visen sekvenssin avaruusvektori pyörii vastaavasti negatiiviseen suuntaan.

Virran taajuusanalyysin suorittamiseen voidaan soveltaa julkaisussa ,··*. 30 US 7057908 esitettyä menetelmää, missä mitattu virran avaruusvektori muun- • · netaan analysoitavan harmonisen taajuudella analysoitavan sekvenssin suun- :.'*i taan pyörivään harmoniseen synkronikoordinaatistoon, jossa harmonisen sää- to tapahtuu. Kuviossa 2 on esitetty harmonista synkronikoordinaatistoa hyväk- .···. sikäyttävä menetelmä 5. negatiivisen sekvenssin säätämiseksi. Kuvion 2 säh- •v. 35 köisten suureiden merkinnät ovat kuvion 1 mukaisia.

• · φ · 5

Kuvion 2 tapauksessa säätöyksikkö 2 määrittää lohkolla 22 harmonista synkronikoordinaatistoa edustavan yksikkövektorin s5~r joka tässä tapauksessa edustaa yläindeksin mukaisesti 5. negatiivista sekvenssiä. Kyseistä harmonista vastaava harmoninen suorakulmainen synkronikoordinaatisto kiin-5 nitetään yksikkövektoriin siten, että koordinaatiston d-akseli on yhdensuuntainen yksikkövektorin kanssa, ja q-akseli on tätä vastaan kohtisuorassa. Harmonista synkronikoordinaatistoa edustava yksikköveron synkronoidaan verkon jännitteen perusaaltoon esimerkiksi siten, että harmonista synkronikoordinaatistoa edustava yksikköveron ja verkon jännitteen perusaalion avaruusvektori 10 leikkaavat positiivisen reaaiiakselin (a-akselin) samalla ajanhetkeilä. Käytännössä harmonista synkronikoordinaatistoa edustava yksikköveron voidaan muodostaa muodostamalla ensin verkkojännitteen perusaalion avaruusvekto-riin vaihelu kolia synkronoitu yksikkö vektori. Verkkojänniteen perusaaltoon synkronoidusta yksikkövektorista saadaan harmonista synkronikoordinaatistoa 15 vastaava yksikkovektori kertomalla kulmataajuus kyseisen harmonisen järjestysluvulla ja asettamalla pyörimissuunta kyseisen sekvenssin pyörimissuunnan mukaiseksi. Toisin sanottuna lohkolla 22 tuotettava yksikkovektori pyörii s5~ vastakkaiseen suuntaan ja viisinkertaisena kulmataajuudelia verkkojännitteen perusaalion avaruusvektoriin nähden.

20 Viidennen negatiivisen sekvenssin tapauksessa yksikkovektori

yj CD

• · · «* · ♦·· ♦ • · • * · *·*·* voidaan muodostaa esimerkiksi seuraavasti » · « : 25 : = cos(5#tr)-7sm(5QyJ, (2) • · • · «· missä «v on verkkojännitteen perusaalion kulmanopeus.

Kuvion 2 lohko 10 on koordinaatistomuunnoselin, joka muuttaa lii-30 tyntäpisteen virran stationaarikoordinaatlston avaruusvektorin komponentit i2a m · ja i2fi yksikkövektorin s*~ määrittämään harmoniseen synkroniseen dq- • ♦ · ’* *! koordinaatistoon. Tähän voidaan käyttää yhtälöttä »··· • · & = tte{(i5“)*/,} = sf/,, +S05"i,o (3) : *.· 35 hq — ) ?2}=ά'Λ <ofl — S6 ht) ’ (4) 6 missä asteriski tarkoittaa kompleksikonjugointia. Virran d- ja q-komponentlt ovat harmonisessa synkronikoordinaatistossa d- ja q-akseiin suuntaisia komponentteja, eli skalaarilukuja.

Lohkot 11 ja 12 ovat alipäästösuodattimia, joiden tarkoituksena on s pääosin poistaa signaaleista nollataajuutta suuremmat taajuudet. Alipääs-tösuodattimien iähtösignaaiit ja 4“f edustavat liityntäpisteen virran 5. harmonisen negatiivista sekvenssiä ja siten niitä voidaan pitää taajuusanalyysin lopputuloksena. Edelleen kuvan 2 alipäästösuodattimien Iähtösignaaiit ξ~άί ja /|"f vähennetään kyseisen harmonisen sekvenssin komponenttien referens-10 siarvoista ja i2s‘ref. Referenssiarvot ovat tyypillisesti nollia, mikäli tarkoituksena on kompensoida kyseinen harmoninen sekvenssi. Näin muodostetut erosuureet käsitellään Pl-säätäjäalgoritmilla, johon liittyvät integraattorit 13 ja 14 sekä vahvistukset 15, 16, 17 ja 18. Lohkot 19 ja 20 skaaiaavat signaalit €Ur M suhteeliisarvoisiksi jp On syytä huomata, että tässä 15 käytetty suhteellinen esitys tarkoittaa ainoastaan sellaista ohjearvon skaalausta, että ohjearvon ollessa 100 % kompensointiyksiköt käsittävät sen ohjeeksi tuottaa käytettävissä olevan kapasiteetin puitteissa maksimaalisen suuri harmoninen virta.

Lohko 21 rajoittaa Pl-säätäjän lähdön määrittämän avaruusvektorin 20 pituuden välille 0...100 %. Järjestelmään on edullista implementoida anti-windup toiminto, joka pysäyttää Pl-säätäjien integroinnin mikäli niiden määrit-;* .*. tämän avaruusvektorin pituutta joudutaan rajoittamaan. Lohkon 21 lähtö, reUin, ja /f'Cror.„m on tietoliikenneyhteyden välityksellä kompensointiyksiköil- : .·, le 5, 6 lähetettävä harmonisen virran ohje. On syytä havaita, että tarkastelta- * 25 vasaa esimerkkitapauksessa kompensointiyksiköilie lähetettävä harmonisen • · · \..t virran ohje on esitetty verkon jännitteen perusaaltoon synkronoidun harmoni- ***** sen synkronikoordinaatiston komponentteina, jolloin harmonisen virtaohjeen 1(( vaihekulma on esitetty myös suhteessa verkkojännitteen perusaalion vaihe- V * kulmaan, kuten edellä kerrottiin. Edelleen, harmonisen virran ohjeen amplitudi 30 on esitetty suhteeiiiseila asteikolla, minkä vuoksi kompensointiyksiköt voivat :*·,· muodostaa absoluuttiasteikoila esitetyt ohjearvot suhteuttamana suhteelliset • · ohjearvot omaan nimeliiskapasiteettiinsa tai vaihtoehtoisesti vapaana olevaan ,;t kapasiteettiinsa.

φ [···’ Kuviossa 3 on esitetty eräs tapa, jolla kompensointiyksikkö voi käsi- : V 35 teliyn esimerkin kyseessä ollessa määrittää harmonisen sekvenssin ohjearvoa vastaavan absoluuttiasteikoila esitetyn stationaarikoordinaatiston harmonisen 7 virran ohjeen. Kuvion 3 lohko 31 määrittää ohjearvoa vastaavaa harmonista synkronikoordlnaätistoa edustavan yksikkövektorin s5'. Ori syytä huomata että, yksikkövektorin määrittämisessä käytetyt jännitteen avaruusvektorikom-ponentit u3a ja u2p voidaan määrittää paitsi mittaamalla myös estimoimalla.

5 Keksinnön kannatta on oleellista, että verkon jännite kompensointiyksiköiden liityntäpisteissä on olennaisesti sama kuin säätöyksikön liityntäpisteessä. Tämä ehto toteutuu, mikäli säätöyksikön ja kompensointiyksiköiden välinen säh-köverkkoyhteys on riittävän pieni-impedanssinen.

Kuvion 3 lohko 30 on koordinaatistonmuunnöseliri, joka muuntaa 10 harmonisessa synkronikoordinaatistossa esitetyn virtaohjeen statiönaariseen αβ -koordinaatistoon. Koordinaatistomuunnokseen voidaan käyttää yhtälöitä

Aii, ml, f li], liiii — {ί i 1. rcf. rel, liini Ad.ref.icLlini Aq. rcf.rei. litn C®.) lim ~ 1*^ {£ il.ref.reUKm / —Aq. refrd.lim Aii.rcf.iel.lim '

Skaaiauslohkot 32 ja 33 muuttavat suhteellisarvona esitetyn virtaohjeen absoluuttiarvoksi. Kyseinen kerroin Ka on riippuvainen kompensointiyksi- kön nimeiliskapasiteetista tai vaihtoehtoisesti kompensointiin käytettävissä ole-20 vasta vapaasta kapasiteetista. Kompensointiyksikön säätöjärjestelmä pyrkii : tuottamaan muodostettuja harmonisen sekvenssin absoluuttiarvoisia referens- sejä ja ή,)κί vastaavan virran.

• * * "V Edellä kuvatun esimerkin tapauksessa vastaavat toimenpiteet täytyy • · t suorittaa myös muille kompensoitaville harmonisille sekvensseille kuin esi- • « · ...

*Γ * 25 merkkitapauksena käytetylle 5. harmonisen negatiiviselle sekvenssille.

• ·

Keksinnön järjestelmä ei kuitenkaan ole mitenkään rajoittunut juuri *···* edellä kuvatun esimerkin kaltaiseen menettelyyn harmonisten virtaohjeiden laskemiseen tai niiden käsittelyyn kompensointiyksiköissä.

!,: : Keksinnön mukainen järjestelmä muodostaa takaisinkytketyn säätö- (j 30 järjestelmän, jossa säädettävinä suureina ovat esimerkiksi liityntäpisteen virta- : harmoniset, takaisinkytkentätietona mittausyksikön mittaama liityntäpisteen vir- # · · ta ja siitä määritetyt harmoniset komponentit, säätimenä säätöyksikön harmo- • * ...

. niset virtaohjeet määrittävä osa ja toimilaitteena eri kompensointiyksiköiden t·· yhdessä muodostama harmonisia virtoja tuottava kokonaisuus.

• ’.· 35 Jotta takaisinkytketty säätöjärjestelmä toimisi tarkoituksenmukaisel la tavalla, tulee sen olla viritetty kyseiseen toimintaympäristöön, Keksinnön jär- 8 jestelmän kannalta oleellinen viritysparametri on vahvistuskerroin, jolla sää-töyksikkö muuttaa absoluuttisen harmonisen virran ohjeen suhteellisarvoiseksi harmonisen virran ohjeeksi. Kuviossa 2 kyseinen vahvistuskerroin on kuvattu symbolilla Kti lohkoissa 19 ja 20. Vahvistuskertoimen A'r, sopiva arvo riippuu 5 kompensointiyksiköiden yhteenlasketusta kompensointikapasiteetista. Erityisesti, mikäli vahvistuskerroin Ks] on lilan suuri, ts, kompensointiyksiköiltä pyydetään tilanteeseen nähden liian suurta virtatiafmonlsta, säätöjärjestelmä voi muuttua epästabiiliksi. Tästä syystä vahvistuskerroin A'rl tulisi valita kompensointiyksiköiden maksimikompensointikapasiteetin mukaan. Mikäli kompen-10 sointiyksiköiden todellinen kompensointikyky on pienempi kuin vahvlstusker-rointa Kri määrättäessä on oletettu, säätöjärjestelmä pysyy stabiilina, mutta sen dynaaminen suorituskyky heikkenee verrattuna tilanteeseen, missä Kr{ on määrätty oikein. Tämän kaltainen tilanne syntyy helposti silloin, kun osalla kompensointiyksiköistä on niin paljon muuta kuormitusta, että kapasiteetti ei 15 riitä harmonisten kompensoimiseen. Tällaista tilannetta voidaan kuitenkin pitää osana järjestelmän normaalia toimintaa.

Edellä kerrotun vuoksi säätöyksikön täytyy jollain tarkkuudella tietää kompensolntiyksikköjen yhteenlaskettu kompensointikapasiteetti. Kompensoin- tikapasiteetin suuruuden määrittäminen voidaan suorittaa esimerkiksi siten, et* 20 tä järjestelmän käyttäjä asettaa säätöyksiköile parametritiedon kompensoin- , . tiyksiköiden yhteenlasketusta kompensointikapasiteetista.

• · ♦ *· ” Toisena vaihtoehtona kompensointikapasiteetin määrittämisestä :·: i voidaan esittää tietoliikenneyhteys, joka on kaksisuuntainen. Tällöin järjestel- ♦ t V maan liittyvät kompensointiyksiköt välittävät tiedon käytettävissä olevasta ka- |.f: 25 pasiteetistaan säätöyksiköile, joka laskee ne yhteen. Kaksisuuntaista tietolii- kenneyhteyttä käytettäessä kompensointiyksiköt voivat välittää tiedon kom- :***: pensolntikapasiteetistaan kerran tai jatkuvasti toiminnan aikana.

···

Edelleen eräänä vaihtoehtona kompensointikapasiteetin määrittämi-seksi säätöjärjestelmää varten on kompensointikapasiteetin mittaaminen sää» 30 töyksikössä sähköisen mittauksen perusteella. Säätöyksikkö voi identifioida *:* kompensointikapasiteetin suuruuden esimerkiksi käskemällä 1 %:n tai muun • · \‘*i suhteellisen pienen harmonisen virran sekä mittaamalla syntyneen harmonisen "·*: virran suuruuden absoiuuttiyksikköinä. Näin toimien saataisiin suoraan selville .···. millaista kompensoitavan virran absoluuttista arvoa esimerkiksi mainitun 1%:n • · 35 virtaohje vastaa. Menettelyn haittapuolena on kuitenkin se, että mittaus valttä-* *’ matta lisää särötasoa hetkellisesti. Lisäksi, mikäli ulkoinen särötaso kyseisen g harmonisen osalta sattuisi muuttumaan juuri mittauksen aikana, aiheuttaisi se virhettä kompensointikapasiteetin identifioimistulokseen.

Keksinnön mittausyksikkö 1 ja säätöyksikkö 2 voivat olla fyysisesti erillisiä laitteita tai vaihtoehtoisesti ne voivat sisältyä yhteen fyysiseen laittee-5 seen. Kuviossa 1 on esimerkin vuoksi esitetty mainitut yksiköt erillisinä lohkoina, mutta on selvää, että mainitut yksiköt voidaan integroida. Mittausyksikkö 1 mittaa tai muulla tavoin määrittää tarpeelliset sähköiset suureet. Tyypilliset määritettävät suureet ovat liityntäpisteen virta ja jännite. Säätöyksikkö 2 voi oils erillinen laite mutta siihen voi sisältyä myös kompensointiyksikkö, jolloin ne 10 siis sisältyvät samaan fyysiseen laitteeseen. On myös mahdollista, että mittausyksikkö, säätöyksikkö ja kompensointiyksikkö sisältyvät kaikki yhteen fyysiseen laitteeseen. Mittausyksikkö voi suorittaa myös mittasignaaleihin kohdistuvia signaalinkäsitteiytoimenpiteitä. Laite, johon mittausyksikkö, säätöyksikkö ja kompensointiyksikkö on integroitu, on edelleen keksinnön mukaisesti tietolii-15 kenneyhteydessä muihin kompensoinf iyksiköihin.

Kompensointiyksiköt voivat olla dedikoituja aktiivisuodattimia, jolloin niiltä ei ole muuta funktiota kuin harmonisten kompensoiminen. Kompensoin-tiyksiköillö voi olla myös joku primäärifunktio, minkä lisäksi ne toimivat kapasiteettinsa puitteissa myös kompensointiyksikköinä. Esimerkki tällaisesta yksi-20 köstä on verkkovaihtosuuntaajalla varustettu taajuusmuuttaja, jonka pääasiallinen tehtävä on moottorin syöttäminen, mutta joka verkkovaihtosuuntaajan käy-:.‘*i tettävissä olevan kapasiteetin puitteissa voi osallistua myös harmonisten kom- : pensoimiseen. Luonnollisena edellytyksenä kuitenkin on, että kompensointiyk- ·[·[· sikön säätöjärjestelmä pystyy säätämään verkkovirran harmonisia haiutusti.

: 25 Kompensointiyksikkö voi olla rakenteeltaan millainen hyvänsä, kun- hän se pystyy toteuttamaan sille annetun virtaohjeen. Eräitä kompensointryksi-.**·. köiden suoritusmuotoja esitetään kuvioissa 4 ja 5. Kuviossa 4 on esitetty kuu della ohjattavalla kytkimellä toteutettu kokosuuntaajasilta, ja kuviossa 5 on esi-tetty kolmella aktiivisella kytkimellä toteutettu tasasuuntaaja. Esimerkiksi nai- t · · ;,.f 30 den suoritusmuotojen mukaiset kompensointiyksiköt kykenevät toteuttamaan ’*;·* harmonisen virran ohjeet ja toimimaan samalla tasasuuntaajina mahdolliselle V·: muulle kuormalle.

·:**: Keksinnön mukaisessa järjestelmässä särölähteet ja kompensoin- tiyksiköt eivät välttämättä ole lähekkäin, minkä vuoksi harmonisten kompeo- • « 35 soiminen seurauksena voimakaapeleissa kulkee enemmän harmonisia virtoja • · • · 10 verrattuna sellaiseen tapaukseen, missä kompensointjyksikkö on särölähteen välittömässä läheisyydessä.

Edelleen, keksinnön mukainen järjestelmä ja menetelmä soveltuvat luonnollisesti vain sellaisiin tapauksiin, joissa verkkoa syötetään kerrallaan vain 5 yhdestä pisteestä, ts. kyseessä on säteittäisverkko. Liityntäpisteen, eli pisteen jonka virtaa pyritään kompensoimaan, tulee syöttää verkkoa, jossa särölähteet ja kornpensointiyksiköt sijaitsevat.

Keksinnön mukainen menetelmä ja järjestelmä eivät välttämättä sovellu nopeasti muuttuvien harmonisten kompensointiin. Harmonisten kompo-10 nenttien analysointi vie aikaa vähintään yhden perusjakson verran. Tästä johtuen harmonisen kompensoinnin voidaan arvioida vievän vähintään noin 2...5 perusjaksoa säädön kireydestä riippuen. Käytännössä säätäjät voi olla järkevämpää virittää tätä hitaammiksi, esimerkiksi 5...20 perusjakson kompensointi-, ajalle.

15 Edellä kerrotun mukaisesti kompensointlyksikköjen täytyy määrittää verkkojännitteen perusaailon vaihekulma voidakseen määrätä harmonisen virran ohjearvon vaihekulman. Verkkojännitteen perusaailon määrittäminen voi perustua verkkojännitteen mittaamiseen tai estimoimiseen. Verkkovaihtosuun-taajien tapauksessa jännitettä ei kuitenkaan usein mitata. Tyypillisesti verkko-20 jännite silti estimoidaan suoraan tai epäsuorasti loistehon säätämistä varten.

: Mikäli verkkojännitteen estimaattia käytetään keksinnön mukaisesti harmonis- • *· ten virtojen säätämisessä, estimaatin täytyy olla suhteellisen tarkka. On syytä *.**.* huomata, että esimerkiksi 1 asteen suuruinen virhe verkkojännitteen peru saa!- • · ***;' lon vaihekulmassa vastaa 7 asteen virhettä 7. harmonisen vaihekulmassa. Eri- • · · ·*··’ · 25 tyisen epäsuotuisa tilanne syntyy silloin, kun toisen kompensointiyksikön virhe : **· harmonisen virran vaihekulmassa on erisuuruinen kuin toisen, sillä tällainen * * * virhe aiheuttaa kompensointiyksiköiden välillä kiertävän harmonisen virran.

Mikäli käytössä on reaaliaikainen tietoliikenneyhteys, edellä esitetty :V: ajatus virtaohjeen vaihekulman ilmoittamisesta jännitteen perusaailon vaihe- :***; 30 kulman suhteen ei tarjoa vastaavaa hyötyä kuin hitaan tietoliikenneyhteyden • · * .* . tapauksessa. Tällaisessa tapauksessa kompensointiyksiköiile voidaan välittää * * * *· *; suoraan stationaarikoordinaatistossa esitetyt harmonisten virtojen ohjearvot.

* Lisäksi, mikäli tietoliikenneyhteys ei ole reaaliaikainen, mutta kom- :***: munikoinnin viive on vakio ja tunnettu, virtaohjeen vaihekulman ilmoittaminen • * · **.·. 35 jännitteen perusaailon vaihekulmaan nähden edellä yksityiskohtaisesti seloste- • · tulla tavalla ei oie tarpeellista, sillä kornpensointiyksiköt voivat määrittää har- 11 monisen virtaohjeen vaihekulman verkon taajuuden ja tunnetun kommunikoin-tiviiveen avulla. Edelleen, jos säätöyksikössä ja kompensointiyksiköissä on tarkka reaaliaikakello, yksittäiset kommunikolntlviestit voidaan aikaleimata ja päätyä edellisen kohdan tapaukseen myös vaihtelevan kommunlkointiviiveen 5 tapauksessa.

Edellä tuotiin esiin, että kompensointiyksiköt suhteuttavat suhteellisena esitetyt harmonisten amplitudien ohjeet omaan nimelliskapasiteettilnsa tai vaihtoehtoisesti vapaana olevaan kapasiteettiinsa kulloisenkin suoritusmuodon mukaisesti ja muodostavat absoluuttiasteikolla esitetyt ohjearvot harmonisten 10 amplitudeille. Alia on esitetty numeerinen esimerkki kummastakin tapauksesta suhteellisen harmonisen virran ohjeen ollessa 50 %.

Tapaus 1: Kompensointiyksiköt suhteuttavat virtaohjeen nimellisvirtaan 15 Ohje Kompensointiyksikkö 1 Kompensointiyksikkö 2

Nimellisvirta 10 A Nimeliisvirta 100 A

Kapasiteetin käyttö: Kapasiteetin käyttö:

- pääfunktio 6 A - pääfunktio 30 A

- kompensointi 0 A - kompensointi O A

20 - vapaana 4 A - vapaana 70 A

• · • « »

50 % => Ohje absoluuttiasteikolla 5 A Ohje absoluuttiasteikolla 50 A

:;V Kapasiteetin käyttö: Kapasiteetin käyttö: • · ·

- pääfunktio 6 A - pääfunktio 30 A

·:··: i 25 - kompensointi 4 A - kompensointi 50 A

• ·

: *·· - vapaana 0 A - vapaana 20 A

·»· • · • · ·♦ ·

Tapaus 2: Kompensointiyksiköt suhteuttavat virtaohjeen vapaana olevaan ka-pasiteettiin :**: 30 ··· . Ohje Kompensointiyksikkö 1 Kompensointiyksikkö 2

* *; Nimellisvirta 10 A Nimellisvirta 100 A

M*··

Kapasiteetin käyttö: Kapasiteetin käyttö:

s.**: - pääfunktio 6 A - pääfunktio 30 A

35 - kompensointi 0 A - kompensointi 0 A

- vapaana 4 A - vapaana 70 A

12

50 % => Ohje absoluuitiasteikolla 2 A Ohja absoluuttiasteikolla 35 A

Kapasiteetin käyttö; Kapasiteetin käyttö:

5 - pääfunktio 6 A - pääfunktio 30 A

- kompensointi 2 A - kompensointi 35 A

- vapaana 2 A - vapaana 35 A

Virtaohjeen suhteuttaminen vapaana olevaan kapasiteettiin käytän-10 nössä edellyttää vapaana olevan kapasiteetin määrittämistä. Tämä saattaa olla hankalaa etenkin sellaisissa tapauksissa, joissa kompensointiyksikön kapasiteetti ei riipu ainoastaan virtakestoisuudesta vaan myös esimerkiksi harmonisten tuottamiseen vaadittavan jännitereservin suuruudesta.

Keksinnön järjestelmää ja menetelmää voidaan käyttää myös liityn-15 täpisteen jännitteen harmonisten kompensoimiseen. Tämä edellyttää, että sää-töyksikkö määrittää liityntäpisteen jännitteen harmoniset komponentit sekä määrittää niiden perusteella sopivat harmoniset vlrtäohjeet, jotka välitetään kompensointiyksiköille. Liityntäpisteen jännitehamnonisten kompensoiminen ei kompensointiyksiköiden kannalta poikkea mitenkään liityntäpisteen virtahar-20 monisten kompensoimisesta.

; Harmonisten komponenttien taajuusanalyysi ei välttämättä perustu • ·· harmonisiin synkronikoordinaatlstoihin vaan se voidaan tehdä myös muilla : menetelmillä, kuten esimerkiksi diskreetillä Fourier-muunnoksella.

• · · ’·*·* Keksinnön jäijestelmää ja menetelmää voidaan käyttää myös lois- : 25 tehon kompensoimiseen. Tässä tapauksessa säätöyksikkö määrittää liityntä- «· : *·· pisteen (oistehotarpeen sekä laskee suhteellisarvoisen ioisteho- tai loisvirtaoh- jeen kompensolntiyksiköjlie. Kompensointiyksiköt määrittävät suhteellista lois- teho- tai loisvirtaohjetta Vastaavaan absoluuttisen loisteho-ohjeen oman nimel- iiskapasiteettinsa tai vapaana olevan kapasiteettinsa avulla ja pyrkivät tuotta*· .·*·. 30 maan absoluuttista loistehoa vastaavaan loisvirran. Loistehon kompensoimi- • sessa käytetty suhteellinen skaalaus ei väittämättä ole sama kuin harmonisten kompensoinnissa käytetty skaalaus.

Kompensointiyksiköt voivat priorisoida pätöteho-ohjetta, Ioisteho- .***. ohjetta sekä harmonisten kompensoimiseen liittyviä ohjeita eri tavolila. Tyypilli- :v. 35 sesti kuitenkin pätöteho-ohje on korkeammalla prioriteetilla kuin loistehoa ja • · harmonisia vastaavat ohjeet.

13

Keksinnön mukainen menetelmä ja järjestelmä voidaan toteuttaa yksinkertaisesti käyttämällä keksinnön mukaista laitetta sähköverkon harmonisten komponenttien kompensoimisen ohjaamiseen ja keksinnön mukaista kompensointiyksikköä sähköverkon harmonisten komponenttien kompensoimi-5 seen. Tällaisen laitteen ja kompensointiyksiköiden yhdistelmä tuottaa keksinnön mukaisen järjestelmän. Keksinnön mukainen kompensointiyksikkö on sovitettu vastaanottamaan tietoliikenneyhteyden välityksellä kompensoitavia harmonisia vastaavat ohjearvot suhteellisarvoina, ja kompensointiyksikössä on välineet suhteellisarvoisen ohjearvon muuttamiseksi absoluuttiseksi ohjearvok-10 si ja välineet absoluuttisen ohjearvon määrittämän kompensointivirran muodostamiseksi.

Jotta keksinnön kompensointiyksikkö saa tarvittavan ja oikeanlaisen ohjearvon, käsittää keksinnön mukainen laite mittausyksikön 1, joka on sovitettu mittaamaan sähköverkon kompensoitavaa sähköistä suuretta ja säätöyksi-15 kön 2, joka on sovitettu määrittämään mitatun kompensoitavan sähköisen suureen harmonissisältoä sekä määrittämään kompensoitavia harmonisia vastaavat ohjearvot suhteellisarvoina. Edelleen keksinnön mukaisessa laitteessa on välineet ohjearvojen lähettämiseksi suhteellisarvoina kompensointia suorittaville yksiköille. Nämä välineet voivat olla esimerkiksi liityntärajapinta tietoliiken-20 neyhteyteen, kuten esimerkiksi tarvittava verkkokortti, m.' . Alan ammattilaiseiie on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- .* ’* non perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus- • · φ ·*;·'/* muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdel- ’·**·* la patenttivaatimusten puitteissa.

• · • < · • · · M* · ·· * · • · * • ·· • · • · ·· · ··* « · · « I · ··· • · • ·

Mf • · * · · • ·· • · » • · M» • ·

« I

·»· • · « • # · • · • ·

Claims (9)

1. Järjestelmä sähköverkon harmonisten komponenttien kompensoimiseksi, joka järjestelmä käsittää mittausyksikön (1), joka on sovitettu mittaamaan kompensoitavaa 5 sähköistä suuretta, säätöykslkön (2), joka on sovitettu määrittämään mitatun kompensoitavan sähköisen suureen harmonissisältöä sekä määrittämään kompensoitavia harmonisia vastaavat ohjearvot suhteeilisarvoina, yhden täi useampia kompensointiyksiköitä (5, 6), jotka on sovitettu 10 vasteellisina säätöykslkön (2) tuottamiiie ohjearvoille tuottamaan suhteeilisarvoina esitettyjen ohjearvojen mukaisia harmonisia komponentteja, ja tietoliikenneyhteyden (3), joka on sovitettu välittämään säätöykslkön (2) määrittämät ohjearvot kompensointiyksiköille (5, 6), t u n n e tt u siitä, että säätöyksikkö (2) on sovitettu määrittämään harmonisen komponentin ohjear-15 von vaihekulman suhteessa verkkojännitteen perusaallon vaihekulmaan, ja että kompensointiyksikkö (5, 6) on sovitettu määrittämään verkkojännitteen pe-rusaalion vaihekulman, ja muodostamaan kompensointiin tarvittavat sisäiset ohjearvot määrittämänsä verkkojännitteen perusaallon vaihekulman ja ohjearvon vaihekulman perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, : että säätöyksikkö on sovitettu määrittämään kompensoitavaa harmonista vas- laavan synkronikoordinaatiston ja synkronoimaan muodostetun synkronikoor- • « · \* V dinaatiston kompensoitavan verkon jännitteen perusaaltoon, ja määrittämään ohjearvot suhteeilisarvoina mainitussa synkronikoordinaatistossa. * « · *’ 25

3. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-2 mukainen järjestei- ·* *** mä, tu nnettu siitä, että säätöyksikkö on sovitettu muuttamaan mittausyk- • ·· sikön mittaaman kompensoitavan harmonisen komponentin suhteellisarvoksi käyttämällä vahvistuskerrointa (Ktl), jonka suuruus riippuu kompensointiyksi- :T: köiden yhteenlasketusta kompensointikapasiteetista.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen järjestelmä, tu n nettu siitä, / . että säätöyksikkö on sovitettu vastaanottamaan vahvistuskertoimen (Jfrj) suu- • # · ** " ruuden käyttäjältä, tai säätöyksikkö on sovitettu vastaanottamaan tiedon kom- pensointikapasiteetista kompensointiyksiköiltä, tai säätöyksikkö on sovitettu :***: määrittämään kompensointikapasiteetin sähköisten mittausten perusteella, ;*·*: 35

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-4 mukainen järjestei- • 9 mä, tunnettu siitä, että kukin kompensointiyksikkö on sovitettu suhteutta- maan suhteellisarvoisen kompensointiohjeen vapaana olevaan kompensointi-kapasiteettiin tai nimelliseen kapasiteettiin.

6. Menetelmä sähköverkon harmonisten komponenttien tai loistehon kompensoimiseksi, joka menetelmä käsittää vaiheet, joissa 5 mitataan (1) kompensoitavaa sähköistä suuretta, määritetään (2) mitatun kompensoitavan sähköisen suureen harmo-nissisäitöä sekä kompensoitavia harmonisia vastaavat ohjearvot suhteellisar-voina, välitetään ohjearvot yhdelle tai useammalle kompensointiyksikölle 10 (5, 6) käyttäen tietoliikenneyhteyttä (3), ja tuotetaan vasteeliisina suhteellisarvoina esitetyille ohjearvoille ohjearvojen mukaisia harmonisia komponentteja yhdellä tai useammalla kom-pensointiyksiköllä (5, 6), tunnettu siitä, että ohjearvon määrittäminen käsittää vaiheen, jossa määritetään harmonisen komponentin ohjearvon vaihe-15 kulma suhteessa verkkojännitteen perusaallon vaihekulmaan, ja määritetään kompensointiyksikössä (5, 6) verkkojännitteen perusaallon vaihekulma ja muodostetaan kompensointiin tarvittavat sisäiset ohjearvot määritetyn verkko-jännitteen perusaallon vaihekulman ja ohjearvon vaihekulman perusteella.

7. Kompensointiyksikkö sähköverkon harmonisten komponenttien 20 kompensoimiseen, tunnettu siitä, että kompensointiyksikkö on sovitettu . vastaanottamaan tietoliikenneyhteyden välityksenä kompensoitavia harmonisia / / vastaavat ohjearvot suhteeilisarvoina, määrittämään verkkojännitteen perus- • · · :”e: aallon vaihekulman ja suhteuttamaan ohjearvot tämän määrittämänsä perus- yV aallon vaihekulmaan, ja että kompensointiyksikkö käsittää välineet suhteel- : 25 lisarvoisen ohjearvon muuttamiseksi absoluuttiseksi ohjearvoksi ja välineet ab- • *·· soiuuttisen ohjearvon määrittämän kompensointivirran muodostamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kompensointiyksikkö, t g n -netto siitä, että kompensointiyksikkö on sovitettu muuttamaan suhteellisar- ♦*". voisen ohjearvon absoluuttiseksi ohjearvoksi suhteuttamalla suhteeliisarvon • 30 kompensointiin käytettävissä olevaan kapasiteettiin tai kompensointiyksikön nimelliseen kapasiteettiin.

9. Laite sähköverkon harmonisten komponenttien kompensoimisen ohjaamiseen, t u n n ettu siitä, että laite käsittää •***: mittausyksikön (1), joka on sovitettu mittaamaan sähköverkon kom- *·« 35 pensoitavaa sähköistä suuretta, • • · säätöyksikön (2), joka on sovitettu määrittämään mitatun kompensoitavan sähköisen suureen harmonissisältöä sekä määrittämään kompensoitavia harmonisia vastaavat ohjearvot suhteellisarvoina, ja välineet ohjearvojen lähettämiseksi suhteellisarvoina kompensointia 5 suorittaville yksiköille. • « • » · ♦ »· • i • · * · · • · » • il · • « • f * • · · • · • · • · * • · · ··· » • M • · • *· «·· • · • · ··· * · I * · i • ··· : : **· • i * * · * ·« • » • » M» : ; ··· M · • 4 • · • «