STABILITETSUTFORDRINGAR I KRAFTELEKTRONIKK- DOMINERTE DISTRIBUSJONSNETT Av Atle Rygg og Marta Molinas, Inst. for Teknisk Kybernetikk, NTNU Samandrag Med ein aukande andel kraftelektronikk i distribusjonsnettet aukar risikoen for uønskte interaksjonar som kan gi stabilitets- og spenningkvalitetsproblem. Utstyr som er utstyrt med AC/DC- eller AC/AC-omforming har ein dynamikk som i hovudsak er bestemt av kontrollsystemet. Denne artikkelen presenterer fire eksempel på problem som kan oppstå. Felles for alle problema er at det ikkje treng vere noko feil med utstyret eller brot på reglar for nettilknyting. Artikkelen prøver å illustrere to poeng: 1) Stabilitet og spenningskvalitet heng tett saman for kraftelektronikk-system, og det er behov for å integrere desse fagfelta tettare. 2) Det er behov for å standardisere kraftelektronikkomformarar sin dynamikk for å redusere risiko for uønska interaksjonar. Ein attraktiv måte å gjere dette på er å setje krav til omformaren sin impedanskarakteristikk, også kalt terminalkarakteristikken. 1. INNLEIING Denne artikkelen belyser utfordringar som kan oppstå i distribusjonsnett med høg andel kraftelektronikkomformarar. Dette er realistiske scenario i dagens og framtidas distribusjonsnett, og typiske einingar som er utstyrt med kraftelektronikkomforming er vist i Tabell 1. Energiformer som vind og sol treng henholdsvis frekvensomforming og vekselrettning før dei kan koblast til nettet, medan pumpekraft- og småkraftanlegg er aktuelle å drive på variabelt turtal for å oppnå høgare fleksibilitet. Andelen av lasteiningar som er kobla via kraftelektronikk er også stor og aukande. Variabelt turtal brukast i stor grad på roterande utstyr som pumper og kompressorar, og dette krev frekvensomforming. Smelteverk er utstyrt med likerettaranlegg for å oppnå sin nødvendige DC-straum. I husholdningane er alt av småelektronikk, vaskemaskiner, TV m.m. utstyrt med kraftelektronikk som regulerer effektuttaket etter behov. Også belysning er i aukande grad styrt av kraftelektronikk gjennom LED-pærer sine drivarkretsar. Sist men ikkje minst, lading av elektriske køyretøy som bilar og ferjer skjer gjennom ein styrt likerettar.
Denne artikkelen presenterer ulike stabilitetsproblem i avsnitt 2. Her blir konseptet impedanskarakteristikk presentert gjennom eit eksempel, og det blir diskutert korleis impedanskarakteristikken kan brukast til å identifisere og forklare ulike problem. I avsnitt 3 følgjer ein diskusjon om dette skal kategoriserast som spenningskvalitet- eller stabilitetsproblem, før det i avsnitt 4 blir argumentert for at det er behov for å setje krav til kraftelektronikk sin dynamiske oppførsel. Tabell 1: Eksempel på einingar som nyttar kraftelektronikkomforming Produksjon Overføring Last Vind (AC/AC) HVDC Kompressordrifter Solceller (DC/AC) SVC Pumper (Småkraft) STATCOM Smelteverk (Pumpekraft) Elbil-ladar LED-belysning Småelektronikk 2. EKSEMPEL PÅ STABILITETSPROBLEM Ein styrt kraftelektronikkomformar, enten det er ein likerettar, vekselrettar eller frekvensomformar, har ein dynamikk som er sterkt påverka av sitt kontrollsystem. Dei fysikalske tidskonstantane ligg ofte i millisekundområdet, med andre ord kan ein omformar reagere svært raskt på endringar i tilkoblingspunkta sine. Den dynamiske oppførselen er i stor grad avhengig av kontrollsystemet. Dette gir svært mange muligheiter for rask og presis kontroll, men kan også føre til utfordringar. Problema som kan oppstå er ofte komplekse og involverer interaksjonar mellom ulike einingar som kvar for seg fungerer slik dei skal. Dei følgande delkapitla gir eksempel på ulike problem som kan oppstå. Ei skisse av ein styrt kraftelektronikkomformar med sitt tilhøyrande filter er vist i Figur 1. Ein slik omformar nyttar transistorar til å produsere ei sinusforma vekselsspenning frå ei konstant likespenning. Dette foregår ved hjelp av hurtig svitsjing, og det er dermed behov for eit såkalt filter på vekselsstraumsida for å redusere elektromagnetisk interferens samt harmonisk forvrengning. Filteret i Figur 1 består av ein kapasitans og ein induktans, og i tillegg gir transformatoren ein viss grad av filtrering mot nettet.
V abc + V dc Z L I abc V ref kontrollsystem V... abc I abc Figur 1: Skisse av styrt kraftelektronikkomformar med tilhøyrande kontrollsystem og filter. Last på DC-side er representert med ekvivalent impedans. Amplitude [ ] 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 Fundamental frekvens Z Utgangsfilter resonansfrekvens 10-2 Z 180 Induktiv oppførsel 90 o ] Vinkel [ 0-90 Negativ inkrementell resistans Kapasitiv oppførsel -180 10 0 10 1 10 2 10 3 Frekvens [Hz] Figur 2: Eksempel på impedanskarakteristikk til omformaren i Figur 1 Omformaren i Figur 1 kan modellerast med ein ekvivalent impedans Z sett frå tilkoblingspunktet. Denne impedansen vil relatere små forstyrrelsar i spenninga V abc med tilhøyrande forstyrrelsar i straumen I abc. Eit eksempel på impedanskarakteristikk for eit gitt sett med parameterverdiar er vist i Figur 2. Denne karakteristikken vil bli brukt til å forklare ulike fenomen i dei påfølgande delkapitla. Verdt å merke seg er at dei frekvensområda der vinkelen er positiv kan kallast induktive, medan negativ vinkel kan kallast kapasitiv. I dei frekvensområda der vinkelen ligg utanfor frekvensområdet [ 90,90] er det negativ inkrementell resistans, meir om dette i avsnitt 2.1. Meir detaljar om impedansmodellering av kraftelektronikk fins i [1] og [6].
2.1 Konstant-last oppførsel Styrte omformarar har mulighet til rask og presis styring av aktiv og reaktiv effekt. Kontrollsystemet kan lagast slik at lasten får konstant effekt uavhengig av endring i nettspenning. Dette er ein gunstig eigenskap for lasten, men kan gi utfordringar for nettet. Dersom nettspenninga synk vil omformaren svare med å trekke meir straum for å halde effekten konstant. Dette kan føre til ytterlegare spenningsreduksjon, og ytterlegare auke i straum. I ytterste konsekvens kan konstant-last oppførsel føre til at nettet blir ustabilt og ein vil få utfall. Denne ustabilitetsmekanismen er godt forklart i [3], og er illustrert i Figur 3. I dc P = V dc Fall i nettspenning Auke i laststraum Figur 3: Illustrasjon av ideell konstant last. Øverst: ekvivalent krets, nederst: illustrasjon av ustabilitetsmekanisme. Frå ein teoretisk ståstad kallar ein det overliggande fenomenet for «negativ inkrementell resistans». Dette blir best forklart gjennom å betrakte omformaren gjennom sin impedansmodell sett frå tilkoblingspunktet slik som eksempelet i Figur 2. I enkelte frekvensområde kan realdelen til denne impedansen ha negativ verdi, og dette tilsvarer negativ inkrementell resistans. Dersom systemet sin totale impedans har negativ inkrementell resistans vil det føre til ustabile svingingar. I mange tilfelle vil motstanden i overføringsnettet kompensere for konstant-last oppførselen, men total demping i systemet blir uansett forverra og kan gi opphav til komplekse problem. 2.2 Synkronisering i svake nett Styrte omformarar er avhengige av å synkronisere seg til nettet på tilsvarande måte som elektriske maskiner. Denne mekanismen må utelukkande foregå i kontrollsystemet sidan det ikkje fins nokon rotor med treghetsmoment som kan assistere synkroniseringa. Den vanlege måten
å gjere dette på er gjennom ei faselåst sløyfe (engelsk: Phase Lock Loop, PLL). I ei faselåst sløyfe har ein estimert vinkelposisjon θθ som blir låst til terminalspenninga i stasjonære forhold. På mange måtar tilsvarer dette polhjulsvinkelen i ei synkronmaskin. Eit problem som minnar om polhjulspendling kan dermed oppstå i svake nett. Dersom den faselåste sløyfa er for aggresiv i si estimering av terminalspenninga sin fasevinkel, dvs. har ein for rask respons, kan det føre til svingingar. Desse svingingane vil typisk ha ein frekvens lågare enn grunnfrekvensen. Ved å betrakte omformaren med ein ekvivalent impedansmodell er det mogeleg å vise at synkroniseringsproblemet også er forårsaka av «negativ inkrementell resistans». Dette er utleia og vist eksperimentelt i [5]. 2.3 Harmonisk resonans mellom straumstyring og nettinduktans Styrte omformarar er normalt utstyrt med eit indre kontrollsystem som regulerer straumen som blir sendt til/frå nettet. Ein slik straumregulator er ikkje ideell, og vil alltid ha ein viss forsinkelse i sin respons. Denne forsinkelsen gir ein kapasitiv effekt slik at omformaren framstår som ein kondensator sett frå nettet i enkelte frekvensområde. Dette er illustrert i Figur 4. Denne effekten er typisk synleg i frekvensområdet mellom grunnharmonisk frekvens (f.eks. 50 Hz) og opp til 5-10 gongar grunnharmonisk frekvens (for eksempel 250-500 Hz), avhengig av kontrollsystemet sin struktur. I eksempelet i Figur 2 oppfører omformaren seg kapasitivt opp til og med 400 Hz. Denne kapasitive effekten har ein resonansfrekvens mot nettinduktansen, og dette kan gi både spenningskvalitetsproblem og stabilitetsutfordringar. Dette problemet er belyst i [1]. Figur 4: Illustrasjon av forenkla ekvivalentkrets til straumstyrt omformar.
2.4 Resonans mellom omformarfilter og nett serieresonans parallelresonans Figur 5: Eksempel på serie- og parallelresonans mellom omformar og nett og/eller mellom omformar og anna last. Kraftelektronikkomformarar er utstyrt med eit passivt filter på sine ACterminalar for å begrense harmonisk forvrenging som svitsjinga påfører nettet. For styrte omformarar inneheld dette filteret ofte ein parallelkondensator som fungerer som ein lågohmig veg for høgfrekvente straumar. Denne kondensatoren kan gi opphav til uønskte resonansar for ugunstige kombinasjonar av nettimpedans og filterkapasitans. Merk at dette er eit problem som utelukkande er forårsaka av passive komponentar, og ikkje som følge av omformaren sitt kontrollsystem. Resonansfrekvensane som kan oppstå er ofte i området 500-5000 Hz, avhengig både omformaren sin svitsjefrekvens og impedansane i nettet for øvrig. 3. STABILITET ELLER SPENNINGSKVALITET? Denne artikkelen presenterer ulike stabilitetsproblem som kan oppstå i nett med mykje kraftelektronikk. Eksempla frå førre kapittel kan imidlertid også koblast tett mot spenningskvalitet. Dersom kontrollsystemet til ein omformar svingar mot nettet kan det gje utslag gjennom eksempelvis flimmer, hurtige spenningsvariasjonar og harmonisk forvrening. Ofte blir eit problem oppdaga gjennom at ein kunde har ikkjetilfredsstillande spenningskvalitet. I tradisjonell kraftsystemanalyse er stabilitet og spenningskvalitet to separate fagfelt utan altfor stor grenseflate. Med inntoget av kraftelektronikk i nettet er det viktig at desse disiplinane blir integrert betre. Kvar av disiplinane har viktige hjelpemiddel for å oppdage og løyse problem. I fagfeltet spenningskvalitet finn ein nyttige verktøy for å identifisere når eit fenomen kan forstyrre ønska drift av nettet, og det fins både norske og europeiske standardar med klare grenser for t.d. flimmer og harmonisk forvrengning [7][8]. I stabilitetsanalysen finn vi verktøy for å granske underliggande årsak, og deretter finne effektive løysingar for
å redusere uønska interaksjonar mellom komponentar. Dette kan ofte vere utfordrande sidan ein sjeldan har informasjon om indre oppbygning til ein kraftelektronikkomformar. Uønska interaksjonar er sterkt avhengig av både struktur og parameterverdiar til kontrollsystemet. 4. BEHOV FOR STANDARDISERING AV OMFORMARAR SIN IMPEDANSKARAKTERISTIKK? Standard for spenningskvalitet [7][8] definerer kor stor harmonisk forvrenging, kor mykje flimmer, kor store spenningsvariasjonar etc., det er tillete i ulike tilkoblingspunkt, og det er nettselskapet som generelt er ansvarleg for å oppfylle desse krava. Eit problem med dagens regelverk er at det ikkje blir stilt nokon krav til ein omformar sin dynamikk frå eit systemperspektiv. For eksempel kan ein omformar dimensjonerast som ein aggressiv konstant-last (avsnitt 2.1) med ei aggressiv faselåst sløyfe (avsnitt 2.2) og ein ugunstig resonanskrets i filteret (avsnitt 2.4) utan at dette er brot på reglane for tilknytting. Ein framtidig standard som stiller krav til omformarane sin dynamikk vil potensielt redusere risikoen for uønska interaksjonar betrakteleg. Ved utforming av ein slik standard er det viktig at omformarleverandørar har frihet i sitt design, og det er ei dårleg løysing å setje faste krav til korleis kraftkrets og/eller kontrollsystem skal sjå ut. Ei betre løysing er å setje krav til korleis impedanskarakteristikken skal sjå ut, dvs. gi retningslinjer for korleis omformaren skal respondere på endringar i nettet. Dette kan framstillast grafisk slik som i Figur 2. Ein eventuell standard kan definere i kva slags soner impedanskurva kan ligge. Ved å setje slike føringar for korleis karakteristikken kan sjå ut vil både nettselskap og omformarleverandør ha eit klart grensesnitt å forholde seg til. 5. KONKLUSJON/OPPSUMMERING Denne artikkelen har sett fokus på at det kan oppstå kompliserte stabilitets- og spenningskvalitetsproblem i nett med stor andel kraftelektronikk. Desse er forsårsaka av uønska dynamiske interaksjonar mellom omformar og nett, eventuell mellom omformar og anna last/produksjon. Stabilitet og spenningskvalitet heng tett saman for kraftelektronikk-system, og det er behov for å integrere desse fagfelta tettare. Det er viktig å ikkje klassifisere eit problem i den eine eller andre kategorien, metodikk frå begge fagfelta trengs for å løyse problem på ein effektiv måte.
Det er behov for å standardisere kraftelektronikkomformarar sin dynamikk for å redusere risiko for uønska interaksjonar. Ein attraktiv måte å gjere dette på er å setje krav til terminalkarakteristikken, dvs. omformaren sin frekvensavhengige impedans. Her trengs det imidlertid meir forskning og eit aktivt industrisamarbeid for å kome nærare ein standard. 6. KJELDER [1] J. Sun, Power quality in renewable energy systems challenges and opportunities, ICREPQ, March 2012, Spain [2] J. Sun, "AC power electronic systems: Stability and power quality," 2008 11th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics, Zurich, 2008, pp. 1-10. [3] M. Belkhayat, R. Cooley and A. Witulski, "Large signal stability criteria for distributed systems with constant power loads," Power Electronics Specialists Conference, 1995. PESC '95 Record., 26th Annual IEEE, Atlanta, GA, 1995, pp. 1333-1338 vol.2. [4] B. Wen, D. Boroyevich, R. Burgos, P. Mattavelli and Z. Shen, "Small-Signal Stability Analysis of Three-Phase AC Systems in the Presence of Constant Power Loads Based on Measured d-q Frame Impedances," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 10, pp. 5952-5963, Oct. 2015. [5] D. Dong, B. Wen, D. Boroyevich, P. Mattavelli and Y. Xue, "Analysis of Phase-Locked Loop Low-Frequency Stability in Three-Phase Grid-Connected Power Converters Considering Impedance Interactions," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 1, pp. 310-321, Jan. 2015. [6] A. Rygg, M. Molinas, C. Zhang and X. Cai, "A Modified Sequence- Domain Impedance Definition and Its Equivalence to the dq-domain Impedance Definition for the Stability Analysis of AC Power Electronic Systems, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 4, no. 4, pp. 1383-1396, Des. 2016. [7] Standard, EN 50160 - Voltage characteristics of public distribution systems (2010). [8] OED, NVE, 2009, Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet (The Norwegian PQ Code), Lovdata