Ing. Massimiliano Andreotti, ABB S.p.A. - UNIVERSITA’ DI ... · con trattamento nell' LF ed una...

© ABB GroupMay 27, 2016 | Slide 1

Power Grid DivisionPower Quality secondo CEI EN 50160 in sistemi MT/ATattraversoSistemi di accumulo dell’Energia (BESS)Sistemi di filtraggio passivoSistemi di filtraggio attivo

Ing. Massimiliano Andreotti, ABB S.p.A. - UNIVERSITA’ DI TRENTO - 27 Maggio 2016


Sistemi di filtraggio armonico erifasamento con sistemi di accumulo(BESS Battery Energy StorageSystem)Potenze rifasanti fino e oltre 20 MVAr

Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoConfigurazione del sistema

AC Network

Network / Renewable Plant

Turnkey, customized BESS solution

Control &Protection

AC/DC Conversion

§Filter

BESSControl

Battery System

BMS BMS BMS

Grid connection =~



Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoPossibili aree di applicazione

BESS

BESSTaglio dei picchi

di carico (Peak shaving)

380 kV

150 kV 20 kVRing

20 kV

Industry

Power StationBESS

Riserva energetica

In caso di guasto

sulla linea o presenzabuchi di rete

(Spinning Reserves)BESS

LoadLivellamento di carico

(Load leveling) e Power Quality

Per posticipo

upgrade reteBESS

BESS

33 kV150 kV

BESS

Regolazione di reattivo Q

Livellamento di carico(Load leveling)

Regolazione difrequenza

(Frequency regulation)

Per ottimizzazionedella generazione

Equilibratura dellecorrenti di carico erifasamento sistema

Energie rinnovabili

Ottimizzazione generazione da sorgentirinnovabili (Capacity firming)


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoRegolazione di frequenza (Frequency regulation)

§ Compensazione degli sbilanciamenti nei flussi di potenzatra generazione e richiesta


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoRegolazione di frequenza (Frequency regulation)

Carica Scarica

t [sec]

50.02

50.00

49.98

Potenza in assorbimento

Potenza fornita

f[H

z]C

aica

/Sca

rica


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoLivellamento di carico (Load leveling)

§ Ottimizzazione tra generazione e richiesta che permette dievitare o posticipare il potenziamento della rete


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoLivellamento di carico (Load leveling)

Generazione dibase

Carica Scarica

t [ore]

10

5

Potenza fornita

Potenza inassorbimento


Car

ico

[MW

]C

aric

a/S

caric

a


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoTaglio dei picchi di carico (Peak shaving)

§ Spianamento dei picchi di carico per l’ottimizzazione delprofilo di carico e riduzione delle perdite nel sistema


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoTaglio dei picchi di carico (Peak shaving)

Carica Scarica

Car

ico

[MW

]

t [min]

Consumo di energia previstoPotenza fornita

Car

ica

/Sca

rica




Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoOttimizzazione della generazione da sorgentirinnovabili (Capacity firming)

§ Ottimizzazione del profilo di generazione da sorgentirinnovabili (eolico e solare)

§ Erogazione e scambio di potenza reattiva a supporto dellesorgenti rinnovabili

§ Equilibratura delle correnti di carico e compensazionesquilibri non sempre tollerati dalle sorgenti rinnovabili


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoOttimizzazione della generazione da sorgentirinnovabili (Capacity firming)

t [min -> ore]

Energia rinnovabilegenerata

Potenza inassorbimento Potenza fornita

ScaricaCarica

Car

ico

[MW

]C

aric

a/S

caric

a


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoCorrezione fattore di potenza e riduzione distorsionitramite filtraggio armoniche (Power quality)

§ Aumento del rendimento del sistema tramite rifasamentolocalizzato e filtraggio delle armoniche con conseguentemiglioramento della forma d’onda di tensione sul carico


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoCorrezione fattore di potenza e riduzione distorsionitramite filtraggio armoniche (Power quality)

t [ms -> sec]

Scarica

Breve interruzione Potenza fornita

Tens

ione

[kV

]C

aric

a/S

caric

a


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoRiserva energetica (Spinning Reserve)

§ Compensazione di buchi di tensione di breve durata(flickers) o mancate produzione per guasti in rete


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoRiserva energetica in caso di buchi di rete (SpinningReserve)

Scarica

Potenza fornita

t [ms]

Guasto nella fornitura o buco di reteTe

nsio

ne[k

V]

Car

ica

/Sca

rica


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoRequisiti per il dimensionamento

§ Tensione di rete AC§ Applicazione

§ Tipo di batteria§ Tensione DC batteria§ Potenza/Energia batterie

§ Sistema inverter PCS 100§ Protezione lato AC§ Trasformatori di misura per conn. ad oscilloperturbografi

per i loops di controllo in anello chiuso di V-I§ Dispositivi di misura§ Trasformatore step-up – in olio o a secco§ Protezione lato DC§ Quadranti di funzionamento

Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoSchema di principio PCS 100 ESS


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoPCS 100 – Modulo convertitore


§ 2 tipologie di moduli: 750 Vdc e 1000 Vdc

§ Filtro RFI e cella livellamento lato DC

§ Filtro di rete RFI-Lato AC e filtro sinusoidale

§ Connessione di rete

attraverso trafo MT/BT che costituisce parte del filtrosinusoidale LCL di uscita)


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoPCS 100 BESS – Schema unifilare


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoPCS 100 ESS – Tipologie moduli

AC Grid.Allowance for

10% overvoltage

Coupling transformer

350Vac

PCS100Storage

550-800Vdc

150A

AC Grid.Allowance for

10% overvoltage

Coupling transformer

480Vac

PCS100Storage750-

1120Vdc

105A

Modulo da 750Vdc

Modulo da 1000Vdc


Sistemi power quality tramite accumulo elettrochimicoTipologia di accumulo

Volani Batterie Pump storageCondensatori

Frazioni disecondo

Da minuto/i ora/e Da ore a giorni Tempo di scaricaMinuto

Li-Ion NaS

NiCd flow battery

LeadAcid

Range dei Sistemi di accumulo energetico con elettronica di potenza:

§ Condensatori: da 5 a 15 secondi ~500,000 cicli

§ Volani: da 1 a 30 minuti nessun limite di cicli

§ Batterie: NiCd da 30 a 120 minuti ~2500 cicli @ 80% (DoD –scarica)Li-Ion da 15 a 60 minuti ~3,000-6,000 @ 80% DoDRedox: da 3 a 6 ore ~10,000 cicli @ 80% DoDNaS: da 6 a 8 ore ~ 4500 @ 80% DoD


Sistemi di filtraggio armonico erifasamento con filtri passivie con Static Var Compensators (SVC)Potenze rifasanti fino e oltre 200MVAr


Sistema di filtraggio passivoImpianto di rifasamento e filtraggio armoniche


Tipi di filtro passivoSingle Tuned High Pass Filter

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0

50

100

150

200

250

300

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Phas

e

Impe

danc

e

Harmonic Order

Impedance vs. Harmonic order

Impedance

Phase


Tipi di filtro passivoC-Type Single Tuned Filter

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0

500

1000

1500

2000

2500

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Phas

e

Impe

danc

e

Harmonic Order


Impedance

Phase


Tipi di filtro passivoC-Type Double Tuned Filter


Tipi di filtro passivoSingle Tuned Filter

-90

-70

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Phas

e

Impe

danc

e

Harmonic Order


Impedance

Phase

Filtri passivi e sistemi SVCApplicazione principale: forni ad arco EAF


Schema elettrico generale di un EAF



Il forno elettrico ad arco a corrente alternata è un carico che presenta caratteristiche diassorbimento fortemente variabili nel tempo.

Le potenze unitarie degli EAF possono arrivare sino a 160 MVA con cosfi di funzionamentocompresi tra 0,7 e 0,9L' esercizio dei forni prevede un numero di cicli giornalieri che può arrivare a 30 - 40 ( concon trattamento nell' LF ed una elevata utilizzazione di energia alternativa )

L' EAF genera sulla rete di alimentazione fluttuazioni di tensione in una banda di frequenzecomprese tra 0,5 e 35 Hz e produce inoltre un esteso spettro di armoniche di corrente ( v. T. )

L' impianto di un EAF generalmente comprende un trasformatore abbassatore con potenzasuperiore alla potenza max del forno, con il primario alla tensione di allacciamento, consecondario a 15 - 60 kV e con una Vcc del 10 al 14 %

Il rapporto tra la potenza di corto circuito di un EAF e la relativa potenza nominale variatra 2 e 2,6 a seconda della potenza nominale e della costruzione dell' EAF.

La presenza di un trasformatore A.T. / A.T. sul collegamento alla rete pubblica riduce dicirca il 10 % il rapporto di cortocircuito risultante per l'impianto.

Allacciamento alla rete di un EAF



MVAr

MW

cosfi 2 ( 0,9 - 1 )

Qcond.

cosfi 1 ( 0,7 - 0,85 )

Pot

enza

attiv

a(P

)

Potenza reattiva ( Q )

Qcond. = P ( tgfi 1 - tgfi 2 )P

Rifasamento di un EAF



Il disturbo più critico generato dagli EAF è costituito dalle fluttuazioni di tensioneche provocano il fenomeno di flicker, o sensazione ( soggettiva ) di sfarfallio dellaluce emessa dalle lampade ad incandescenza e fluorescenti.Il flicker dipende dalla forma, dall'ampiezza e dalla frequenza delle fluttuazioni ditensione ed è espresso dall' indice di severità a breve termine Pst , che ha unvalore = 1 quando il disturbo raggiunge la soglia convenzionale di irritazione.Il Pst è un indice statistico adimensionale calcolato su un periodo di 10 minuti.L' indice di severità a lungo termine Plt , è la media con esponente cubico dellasuccessione di valori di Pst, misurati su un periodo significativo di funzionamentodell'EAF pari a 2 ore. Il limite di tollerabilità del Plt è = 0,74.

Per un forno non compensato la valutazione della severità del flicker, nel punto diaccoppiamento alla rete ( PAC ), è funzione del rapporto tra la potenza minima dicortocircuito della rete ( Scc ) e la potenza di cortocircuito del forno dal PAC ( Sct )

Pst = Ks x ( 1 / ( 1 + Scc / Sct ) )

dove : Sct = ( Scf x Scr / ( Scf + Scr ) ) e Ks = 60Scf = potenza di cortocircuito forno - Scr = potenza di cortocircuito tra PAC e forno

Flicker di un EAF



Per ridurre le fluttuazioni di tensione sulla rete e quindi il flicker, si ricorre ad impiantidi compensazione per il controllo dell'assorbimento di potenza reattiva SVC edanche all'uso di reattanze ausiliarie ( di pochi ohm ) poste in serie sulla media tensione.

Per la valutazione del disturbo di flicker in presenza di compensazione si consideraun fattore di riduzione ( Frf ), desunto da apposita tabella, in funzione del sistema dicompensazione adottato e del rapporto tra la potenza nominale dell' SVC ( SNSVC ) ela potenza nominale del forno ( SNf ). La severità del flicker al PAC diventerà quindi :

Pst = ( Ks / Frf ) x ( 1 / ( 1 + Scc / Sct ) )

Il controllo della distorsione armonica al PAC si effettua ricorrendo a filtri installatisulle sbarre a media tensione. I filtri più comunemente utilizzati sono di tipo passivo( reattori e condensatori ), con inserzione in parallelo e generalmente comprendonopiù elementi accordati in prossimità di armoniche variabili dalla 2a alla 7a,realizzati suddividendo opportunamente i condensatori del rifasamento di base ecombinandoli con i reattori.In caso di presenza di un impianto SVC, si deve tener conto anche dell' eventualeemissione armonica dello stesso.

Compensazione dei disturbi dell’EAF



Armoniche di corrente di un EAF



Lo Static Var Compensator ( SVC ) è un impianto che genera una corrente capacitiva percompensare la corrente induttiva richiesta dal carico. Le correnti capacitiva ed induttivasono sfasate di 180° contrapponendosi tra loro.Per gli EAF, dove la potenza reattiva cambia rapidamente, viene usato un reattorecontrollato a thyristors per generare un carico induttivo che si adatta alle richieste del forno.I principali elementi dell' SVC sono :o Rettanza controllata a thyristors ( TCR )o Batteria filtro capacitiva ( FCs )

SVC per EAF



The EAF is a highly reactive load and draws a fluctuating current.

The reactive current drawn causes a voltage drop in the system.

The SVC compensates the reactive power flow, greatly reducing thevoltage drop at the EAF terminals

EAF Current

With SVC

Without SVC

Voltage Profile

Caduta di tensione causata da un EAF



Total SVC Current ISVC

Capacitor Current IFC

Reactor Current ITCR

Reactive Power Compensation by SVC

The combination of Thyristor Controlled Reactor and Capacitorenables continuously variable reactive power generation toaccurately match the load requirements

Compensazione della potenza reattiva conSVC

Filtri passivi e sistemi SVCSistemi di calcolo e simulazione: Neplan, Etap, Powersym


Dati Input Filtro Armonico Calcolo Filtro Armonico ST type 1 Calcolo Filtro armonico C-type 2 Calcolo Filtro HP type 3 Risultati per Filtri scelti

Voltage Frequency:

31,5kV 50 Hz

dV- dV+ ω1

-10% 10% 314,159

Ordine In Oversize Filtro ST Alla Fondamentale Filtro C-type Filtro HP Tipo Potenze calcolate filtro Tensioni calcolate filtroFiltro Uso Fact. Filtro

Armon. 3ph Scelto 3ph 3ph 1ph 1ph 3ph 3ph 1ph 1ph

C L X1 I1 QF1 C1 C L R C1 L R C1 C L R C1 C L R

n Y/N [1/X] k µF mH Ω A kVAr µF µF mH Ω µF mH Ω [1/2/3]kVar kVar kVar kW Vcrest Vcrest Vrms Vrms

5 Y 1,0000 1,042 2,5 164,9 -1243,3 14,6 -798 2,6 61,4 164,9 2486,5 2,5 164,9 2590,1 1 N/A 1817 284 N/A N/A 51011 8430 N/A

7 Y 1,0000 1,021 1,1 195,5 -2948,1 6,2 -337 1,1 51,8 195,5 2842,8 1,1 195,5 2902,0 1 N/A 744 113 N/A N/A 48259 6901 N/A

11 Y 2,0000 1,008 1,0 86,1 -3246,8 5,6 -306 1,0 117,6 86,1 2479,4 1,0 86,1 2500,1 3 418 N/A 17 1,94 40260 N/A 2204 2204

13 N 1,0000 1,006 0,3 175,0 -9236,6 2,0 -107 0,3 57,9 175,0 2131,5 0,3 175,0 2144,2 1 N/A 1497 456 N/A N/A 69120 18041 N/A

17 N 1,0000 1,003 0,2 189,3 -17123,9 1,1 -58 0,2 53,5 189,3 10072,9 0,2 189,3 10107,9 1 N/A 1381 437 N/A N/A 75129 21020 N/A

19 N 1,0000 1,003 0,1 203,2 -22977,2 0,8 -43 0,1 49,9 203,2 12093,2 0,1 203,2 12126,8 1 N/A 942 297 N/A N/A 72147 18960 N/A

ReattivaTotale dei

filtri:-1440


Sistemi di filtraggio armonico erifasamento con filtri attivi automaticiPotenze rifasanti fino a 5 MVAr

Filtri attiviTipologia di filtri attivi tipologia vs. Potenza filtrante


Filtri passiviPrincipio di funzionamento


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