Регенеративные приводы: ключевые принципы и регуляторные соображения — Часть 2

Продолжая нашу предыдущую статью, дававшую краткий обзор работы регенеративных приводов, здесь мы смотрим на некоторые специальные факторы, которые нужно учитывать при регенеративной работе.

Влияние на энергосеть (сеть переменного тока)

Регулирование

Это правила, устанавливаемые энергокомпаниями для обеспечения того, чтобы встроенная генерация не нарушала безопасность или надежность электроснабжения. Остаток этого раздела охватывает самые важные темы, контролируемые регулированием. Если регенеративная система используется как намеренный генератор, она должна соответствовать регулированию в месте использования. Если нет, то охватываемые темы все равно должны учитываться, когда номинальный ток регенеративной системы составляет значительную часть рейтинга локальной энергосистемы, чтобы в случае неисправности или сбоя не было повреждений другого подключенного оборудования.

Ток короткого замыкания

Локальный генератор вносит вклад в ток в электрическую неисправность (короткое замыкание) и может повлиять на безопасность или требуемый рейтинг электроаппаратуры. В любой предлагаемой генераторной установке добавочный ток короткого замыкания должен быть рассчитан. Однако регенеративный инвертор имеет незначительное влияние, потому что электронная защита от перетока прерывает чрезмерный ток гораздо быстрее, чем автоматический выключатель или предохранитель могут сработать. Пиковый ток короткого замыкания для современного поколения инверторов CT составляет 260% от номинального тока, и после срабатывания инвертора ток затухает до нуля менее чем за 4 мс (в зависимости от значения катушки переменного тока). Пиковый ток для рейтингов защиты берется как минимум за полупериод частоты сети. Эти факторы вместе делают вклад тока короткого замыкания незначительным.

Островная работа (Island operation)

Если энергосеть становится отключенной от установки, где работает генератор, есть возможность возникновения «энергетического острова», где локальная генерация непреднамеренно держит локальные нагрузки под напряжением. Это не очень вероятно, потому что без специально спроектированного губернатора для регулирования частоты нет ничего, что обеспечивало бы баланс спроса и предложения. Обычно частота быстро выходит за рабочий диапазон и система отключается. Также нет контроля напряжения или реактивной мощности. Однако если остров возник, то был бы риск безопасности для энергоработников и риск повреждения локального оборудования в острове, если напряжение или частота вышли бы за безопасные пределы.

Если регенеративная система имеет источник энергии (например, двигатель, батарею или другое накопительное устройство), так что островная работа возможна, то защита должна быть предусмотрена против повреждающего острова. Частотный диапазон регенеративного привода должен быть ограничен в настройках параметров безопасным диапазоном, и должен быть включен реле перенапряжения для отключения инвертора, если напряжение становится чрезмерным.

Намеренный остров, резервная генерация

Обратите внимание: регенеративный инвертор не может использоваться как автономный генератор, например, как резервное питание в случае потери сетевого питания. Он может использоваться только в сочетании с существующим питанием, с которым он синхронизирует себя.

Проезд через провал (Ridethrough)

Намеренные генераторы могут быть обязаны продолжать работу во время возмущения энергосети. Самая частая ситуация — когда неисправность (короткое замыкание) происходит где-то в энергосети, приводящая к внезапному провалу напряжения на клеммах генератора. Это может быть сбалансированным или небалансированным между тремя фазами. Во время проезда через провал может быть невозможно продолжать генерацию номинальной мощности, если напряжение слишком низко, но реактивный ток требуется для поддержки напряжения и помощи сети в восстановлении контроля после отключения неисправного контура автоматическими защитными устройствами.

Простой АФЕ (активный фронтенд) довольно чувствителен к возмущениям напряжения, потому что его работа опирается на точное балансирование между волной напряжения сети и генерируемой внутри инвертора. Если у него нет способности ride-through, он более склонен вызывать ложные отключения, чем простой выпрямитель. Unidrive M имеет выбираемую способность ride-through, соответствующую основным национальным требованиям стандартов, таким как рекомендации BDEW для генераторов, подключенных к сетям среднего напряжения.

Важно понимать, что в нормальной регенеративной работе регенеративный инвертор регулирует свою выходную мощность в сеть переменного тока так, чтобы регулировать напряжение постоянной шины на желаемом значении. Во время возмущения напряжения он больше не может генерировать полную номинальную мощность, поэтому может быть не в состоянии продолжать регулирование напряжения постоянного тока. Источник мощности тогда должен взять эту роль на себя. Если он не делает этого, может быть отключение по перенапряжению, если входящая мощность превышает исходящую. Альтернативно можно подключить тормозной резистор для поглощения избыточной мощности.

Регулирование мощности и частоты

Баланс спроса и предложения в сети переменного тока достигается регулированием частоты. Намеренный генератор может быть обязан помогать в этом, реагируя на внешние команды мощности, или реализуя функцию управления мощностью против частоты. Это можно запрограммировать как приложение в приводе.

Гармоники и межгармоники

Как обсуждалось в первом блоге о регенерации, регенеративный инвертор генерирует пренебрежимо малые уровни истинного гармонического тока, т.е. на целых кратных частоте сети переменного тока. Он взаимодействует с существующими гармониками на сети, и также генерирует продукты ШИМ-модуляции. Эти частоты высокие, которые много лет считались за пределами диапазона гармоник, которые обычно считались заканчивающимися на порядке 40. Однако более недавние технические стандарты и инструменты начали рассматривать гармоники до порядка 100.

Например, возьмем систему с номинальной частотой сети 60 Гц и частотой коммутации 3 кГц. Основные частоты, связанные с коммутацией, будут 2880 Гц и 3120 Гц. Это 48 и 52 кратные частоты сети. Однако эти две частоты не являются соизмеримыми величинами, или иными словами, они не фазово зафиксированы (phase-locked). Если частота сети была 60,1 Гц, то эквивалентные продуктовые частоты были бы 2879,8 Гц и 3120,2 Гц. Когда гармонический анализатор подключен в такой системе, он, вероятно, покажет их как 48-ю и 52-ю гармоники, если у него стандартная полоса 5 Гц, или может показать неспособность синхронизировать данные.

Если частота коммутации была 4 кГц, основные присутствующие частоты были бы 3880 Гц и 4120 Гц, которые не являются гармоническими частотами. Они бы показывались как «межгармоники» анализатором с функцией межгармоник, или могут игнорироваться базовым гармоническим анализатором с нормальной полосой 5 Гц.

Обсуждаемые выше гармоники и межгармоники — все трехфазные наборы с положительной или отрицательной фазовой последовательностью. Это означает, что в отличие от высокочастотных общих модовых напряжений «шумов» они проходят через трансформаторы и могут вызывать помехи за пределами трансформатора ввода объекта. Фильтр частоты коммутации необходим для снижения их величин до допустимых значений.

Взаимодействие с источником/приемником постоянного тока — контроль напряжения

Когда регенеративная система подключена к источнику или нагрузке постоянного тока, нужно подумать о контроле напряжения постоянного тока. В регенеративной системе привода машинный привод становится эффективно источником постоянной мощности, и регенеративный инвертор регулирует свой экспорт мощности для балансировки входящей мощности на желаемом напряжении постоянного тока. Другие системы могут иметь совершенно другие характеристики. Например, в инверторе фотоэлектрических установок напряжение и ток постоянного тока контролируются вольт-амперной характеристикой фотоэлектрической батареи для заданной инсоляции и температуры. Инвертор не «знает» естественным образом, какое напряжение выбрать, поэтому опорное напряжение постоянного тока регенеративного инвертора должно быть адаптировано алгоритмом MPPT для нахождения оптимальной точки мощности.

Общее модовое напряжение постоянной шины

Постоянная шина в регенеративной системе имеет необычное общее модовое напряжение, то есть среднее напряжение между ее полюсами и заземлением. Полный анализ волновой формы довольно сложен, но обращаясь к упрощенной схеме на рис. 1 первой статьи, можно вывести, что когда одна из пар входных инверторных транзисторов меняет свое состояние, тенденция такова, что напряжение цепи постоянной шины меняется ступенькой на V_DC относительно заземления. На самом деле ступенька ограничена делением напряжения вокруг входной катушки до 1/3 V_DC. Это происходит всякий раз, когда фаза коммутирует, т.е. шесть раз в каждом цикле ШИМ-коммутации.

Это значит, что когда сеть переменного тока — обычная низковольтная сеть с нейtralью, подключенной к заземлению, шина постоянного тока несет высокое общее модовое напряжение, которое является сложным ШИМ-паттерном с быстрыми фронтами, содержащим широкий спектр частот. Некоторые эффекты этого перечислены ниже:

1. Ни один из приводов, подключенных к постоянной шине, ни сам регенеративный инвертор, не должны иметь внутренние конденсаторы ЭМС-фильтра на месте, потому что эти конденсаторы могли бы быть перегружены общим модовым напряжением и вызвали бы высокие циркулирующие заземляющие токи, приводящие к неисправности инвертора.
2. Никакой РЧИ-фильтр не должен быть подключен к постоянной шине, по той же причине, что в п.1.
3. Постоянная шина «шумная», поэтому если она распределяется по неэкранированным проводникам, она может вызывать помехи в близких сигнальных цепях. Если постоянная мощность должна распределяться на значительных расстояниях, это должно быть в экранированных кабелях. Однако если кабели длинные, высокочастотный заземляющий ток в их рассеянной емкости вызовет дополнительные потери мощности в катушках регенератора.
4. Никакое другое оборудование не может быть подключено к постоянной шине, если не подтверждено, что оно может терпеть общее модовое напряжение. (Например, оборудование, спроектированное для работы от источника постоянного тока, вероятно, имеет свой РЧИ-фильтр, который не мог бы терпеть общее модовое напряжение. Большинство датчиков тока и напряжения, однако, спроектированы для терпения общего модового напряжения.)

Для специальных применений, где эти эффекты неприемлемы, одно решение — использовать разделительный трансформатор на входе, чтобы сеть переменного тока была изолирована от заземления. Тогда возможно работать с одним полюсом постоянной шины, подключенным к заземлению напрямую, так что нет общего модового напряжения. Или он может быть подключен через конденсаторы к заземлению или РЧИ-фильтр как требуется, для снижения высокочастотного общего модового шума, который наиболее вероятно вызывает помехи. Это используется, например, в фотоэлектрических инверторах и в системах, где постоянная мощность должна распределяться на множество нагрузок.

Фильтры, импеданс сети, управление током

Фильтр частоты коммутации обсуждался выше в связи с избежанием помех для другого оборудования, подключенного к тому же цепю питания. Фильтр также должен рассматриваться в терминах его эффекта на систему управления инвертора.

В инверторе 3 кГц частота перегиба фильтра около 800 Гц, так что он дает полезное затухание на 2900 Гц. Перегиб немного влияет импеданс сети, который неизвестен для этих необычных частот. Это значит, что коэффициент усиления тока в инверторе не должен быть установлен слишком высоким, иначе устойчивость около 800 Гц становится предельной и система становится чувствительной к возмущениям и склонной к неисправностям. Для большинства обычных применений приводов, где регенеративная система — одна из многих нагрузок в промышленной сети низкого напряжения распределения, есть достаточное естественное демпфирование, что никакие специальные требования не возникают. Значения по умолчанию обычно эффективны.

Где один или несколько регенеративных систем питаются от выделенной сети, с малым остальным подключенным, возможно, что контуры тока будут недодемпфированными. Это можно легко идентифицировать с помощью осциллографа, рассматривая формы волн линейного тока, так как всплески осцилляций («звон») происходят с периодом около 800 Гц, часто в 6 точках каждого сетевого цикла. В этой ситуации устойчивость может быть восстановлена снижением П-члена в контурах управления током. Может также потребоваться снижение коэффициентов контуров напряжения, чтобы избежать недодемпфированного управления напряжением, вызванного более медленным контуром тока. Если применение высокодинамично, так что эти сниженные коэффициенты неприемлемы, то альтернативный метод улучшения демпфирования требуется. Есть два варианта:

1. Добавить дополнительные конденсаторы фильтра. Это снижает частоту перегиба фильтра к значению, где контуры управления током имеют меньший фазовый запаздывание и могут способствовать активному демпфированию.
2. Использовать демпфированный фильтр. Это использует дополнительные конденсаторы и небольшие резисторы для обеспечения демпфирования. Дополнительная информация доступна в Технической поддержке CT.

Оба варианта использовались эффективно. Недостаток варианта 1 — может потребоваться несколько конденсаторов, занимающих место и вызывающих высокий стоячий реактивный ток, который затем может понадобиться компенсировать функцией управления реактивным током инвертора. Недостаток варианта 2 — резисторы вызывают некоторые стоячие потери мощности, и они также должны быть защищены от перегрузки в случае аномальных гармоник в сети, делая вариант довольно сложным.