Micro-WKK in Gaia: Speciale generatoren

Transcriptie

1 Micro-WKK in Gaia: Speciale generatoren pmo 21 juli 2008 Phase to Phase BV Utrechtseweg 310 Postbus AC Arnhem T: F:

2 pmo Phase to Phase BV, Arnhem, Nederland. Alle rechten voorbehouden. Dit document bevat vertrouwelijke informatie. Overdracht van de informatie aan derden zonder schriftelijke toestemming van of namens Phase to Phase BV is verboden. Hetzelfde geldt voor het kopiëren van het document of een gedeelte daarvan. Phase to Phase BV is niet aansprakelijk voor enige directe, indirecte, bijkomstige of gevolgschade ontstaan door of bij het gebruik van de informatie of gegevens uit dit document, of door de onmogelijkheid die informatie of gegevens te gebruiken.

3 INHOUD pmo 1 Inleiding Stirling machine Microgen WhisperGen Verband cos(ϕ) en verhouding R/X Datamodel Test Loadflow Generatorstart Kortsluiting... 14

4 pmo 1 INLEIDING In Gaia is een element toegevoegd voor modellering van decentrale opwekkers, zoals éénfase micro- WKK's. Dit zijn voor netberekeningen redelijk eenvoudige componenten, die een specifiek gedrag vertonen in geval van starten en bij kortsluiting. Omdat de verwachting is dat deze opwekkers in de toekomst veelvuldig zouden kunnen worden toegepast, is het belangrijk om juist aan dit soort componenten specifiek aandacht te besteden. Met name het collectieve gedrag tijdens kortsluitingen en het gelijktijdig starten na herstel van de elektriciteitsvoorziening is onderwerp van studie bij (toekomstige) projecten. 2 STIRLING MACHINE Bij een Stirling machine gebeurt de verbranding van de brandstof uitwendig van de motor. Het arbeidsmedium, bijvoorbeeld lucht of helium, dat zich in de machine bevindt verlaat deze nooit. De motor bestaat uit een koud deel (blauw) en een warm deel (rood). Een warmtebron (bv. vlam van gasbrander, of hete gassen van een verwarmingsketel) verwarmt voortdurend het warme deel van de motor terwijl het koude deel continu gekoeld wordt door bijvoorbeeld de het circuit van de verwarming. Beide delen, warm en koud, staan voortdurend met elkaar in verbinding. Het arbeidsmedium, opgesloten in de motor, circuleert voortdurend van het warme naar het koude deel en omgekeerd en beweegt hierdoor de zuiger heen en weer. Er zijn twee varianten voor de elektriciteitsopwekking in de micro-wkk s. Het type MicroGen is voorzien van een lineaire synchrone generator. Het type WhisperGen is voorzien van een gemodificeerde kortsluitankergenerator. Beide uitvoeringsvarianten en de implementatie in Gaia worden hieronder behandeld.

5 3 MICROGEN pmo Deze generator is geen roterende machine. Het elektrische vermogen wordt opgewekt door een lineair trillende magneet, die via een zuiger wordt aangedreven. De machine is via een converter gekoppeld. Het verbrandingsproces dat de warmte levert aan het toestel is volledig gescheiden van het medium dat arbeid levert. Het verbrandingsproces is continu, er zijn geen ontploffingen zoals bij diesel- en gasmotoren wat de machines aanzienlijk stiller maakt. De twee meest gebruikte externe verbrandingsmachines zijn de Stirling en de Rankine machines. Voor het starten wordt een weerstand in serie geschakeld. De aanloopstroom is dan ongeveer 1,2 maal de nominale stroom. Na de start wordt de aanloopweerstand overbrugd. Tijdens het normale bedrijf (loadflow) zijn P en Q constant en beide positief. Tijdens de kortsluiting is de kortsluitbijdrage klein (ongeveer 1,2 maal de nominale stroom). De cos(ϕ) is ongeveer gelijk aan de cos(ϕ) nom. Gekozen wordt voor een model analoog aan dat van de synchrone generator. Loadflow Invoer: P e, P e,nom cos(ϕ) nom Berekening: P = Pe (uit invoer) Q = S e * sin(ϕ) nom = ( P e / cos(ϕ) nom ) * (1-cos 2 (ϕ) nom ) Kortsluiting Invoer: U nom P e,nom cos(ϕ) nom I a /I nom (ongeveer 1,2) R/X Berekening: Z m = U 2 nom / { (I a /I nom ) P e,nom / cos(ϕ) nom } X m = Z m / (1 + [R/X] 2 ) R m = X m [R/X] Z k,m = R m + jx m Aanloop Invoer: U nom P e,nom cos(ϕ) nom I a,omvormer /I nom (ongeveer 1,1) Berekening: cos(ϕ) a,omvormer = cos(ϕ) nom Z m = U 2 nom / { (I a,omvormer /I nom ) P e,nom / cos(ϕ) nom } R m = Z m cos(ϕ) a,omvormer X m = Z m (1-cos(ϕ) 2 a,omvormer ) Z a,m = R m + jx m

6 pmo Tijdens aanloop wordt een weerstand van Z a,extra (ongeveer 30 Ohm) in serie geschakeld. Als gevolg is de aanloopstroom ongeveer gelijk aan 1,2 maal I nom. 4 WHISPERGEN De WhisperGen-WKK maakt gebruik van een gemodificeerde asynchrone generator. De stator en rotor zijn van een kleine asynchrone driefasenmotor van ABB, maar deze is volgens specificatie gewikkeld als een 4-polige tweefasengenerator. De stroom in de hulpwikkeling is met behulp van een condensator 90 graden verschoven om een draaiveld te genereren. Het opstarten vindt plaats met behulp van een converter. Na 0,6 s wordt de generator direct op het net geschakeld. De aanloopstroom is instelbaar en is ongeveer 1 tot 1,5 maal de nominale stroom, bij een cos(phi) van ongeveer 1 (instelbaar). In nominaal bedrijf is het vermogen van dit soort generatoren in de orde grootte van 1 kva bij 230 V. De bijbehorende stroom is 4,3 A. De nominale cos(phi) is tussen 0,95 en 0,99. De cos(ϕ) en rendementscurves zijn niet beschikbaar. In alle loadflowsituaties wordt gewerkt met de nominale cos(ϕ). Als gevolg is Q constant en gelijk aan het nominale opgenomen blindvermogen. Tijdens kortsluiting wordt de procedure zoals bij een gewone asynchrone machine gevolgd. De kortsluitstroom is ongeveer 8 maal de nominale stroom, bij een cos(phi) van ongeveer 0,1. Loadflow Invoer: P e, P e,nom cos(ϕ)nom (doorgaans tussen 0,95 en 1) C_compensatie (ongeveer 30 micro-f) U_C_in (C wordt ingeschakeld als U < U_C_in * Unom) U_C_uit (C wordt uitgeschakeld als U > U_C_uit * Unom) Berekening: P = P e

7 pmo Q = S e * sin(ϕ) nom = - ( P e,nom / cos(ϕ) nom ) * (1-cos 2 (ϕ) nom ) (alleen nul als P e = 0) Generatormodel P, Q constant; C=f U Kortsluiting Invoer: U nom P e,nom cos(ϕ) nom I a /I nom (ongeveer 2,5 tot 4) R/X (verband met cos(ϕ) a, zie volgende hoofdstuk) Berekening: Z m = U 2 nom / { (I a /I nom ) P e,nom / cos(ϕ) nom } X m = Z m / (1 + [R/X] 2 ) R m = X m [R/X] Z k,m = R m + jx m Generatormodel Z k,m Tijdens kortsluiting wordt de eventueel parallelgeschakelde C verwaarloosd. De aansluitkabels hebben een relatief hoge R. Deze worden buiten het model door de gebruiker zelf ingevoerd. Aanloop Via omvormer. De cos(ϕ) a tijdens aanloop via de omvormer is ongeveer 1. We nemen hier de waarde gelijk aan de nominale: cos(ϕ) nom. Geen C parallelgeschakeld. De waarde voor I a /I nom wordt bepaald door de omvormer en wijkt af van de voor de kortsluiting gebruikte generatorparameter I a /I nom. Dit moet op dezelfde manier worden behandeld als de Vision motorstart via omvormer. Invoer: U nom P e,nom cos(ϕ) nom I a,omvormer /I nom (ongeveer 1,1)

8 pmo Berekening: cos(ϕ) a,omvormer = cos(ϕ) nom Z m = U 2 nom / { (I a,omvormer /I nom ) P e,nom / cos(ϕ) nom } R m = Z m cos(ϕ) a,omvormer X m = Z m (1-cos(ϕ) 2 a,omvormer ) Z a,m = R m + jx m Generatormodel Z a,m 5 VERBAND COS(ϕ) EN VERHOUDING R/X Er is een verband tussen cos(ϕ) a en de R/X-verhouding. Dit verband is gebruikt in het invoerform van de asynchrone motor in Vision. [R/X] = cos(ϕ) a / (1 - cos(ϕ) a 2 ) cos(ϕ) a = [R/X] / (1 + [R/X] 2 ) Hierdoor kunnen de berekeningen van R m en X m als volgt geschreven worden: X m = Z m / (1 + [R/X] 2 ) R m = X m [R/X] dit is hetzelfde als: R m = Z m cos(ϕ) a X m = Z m (1-cos(ϕ) 2 a ) Voorbeeld: R/X = 10 cosϕ a = 0,995

9 pmo 6 DATAMODEL Typegegevens: Attribuut Gaia MicroGen/SynGen Stirling/AsynGen Name Soort + + Fasen (ook uit Soort te halen) + + Unom [230 of 400 V] Pnom [kw] Ia/Inom Poles + Revs + Kipp + R_X [0.. 10] Cosnom Effnom + P Cos Eff C_compensatie [ μf] + U_C_in [ %] + U_C_uit [ %] + Instelgegevens: Attribuut Gaia MicroGen/SynGen Stirling/AsynGen Naam Type Pelektrisch Schakeling + fase 1/2/3 fase 1/2/3 Ia,omvormer/Inom [1.. 2] + +

10 7 TEST pmo De twee speciale generatoren zijn getest met onderstaand model ( test micro-wkk speciale generator.gnf ): UL1N: 231 V UL2N: 231 V UL3N: 231 V UN: 0 V Test MicroGen V MS Uab: V Uac: 9999 V Ubc: V Ia: 0 A Ib: 0 A Ic: 0 A Ia: 0 A Ib: 0 A Ic: 0 A Ie: 0 A 250 kva trap: -1 Ie: 0 A S: 4 kva 5 % IL1: 17 A IN: 17 A IPE: 0 A MicroGen 1 kw MicroGen IL1: 4 A IN: 4 A test microgen IL1: 4 A IN: 4 A IL1: 5 A IN: 5 A IPE: 0 A stroom van whisper 0 % UL1N: 231 V UL2N: 231 V UL3N: 231 V UN: 0 V IL1: 5 A IN: 5 A IPE: 0 A WhisperGen 1 kw WhisperGen IL1: 4 A IN: 4 A test whispergen IL1: 4 A IN: 4 A test C van whisper IL1: 2 A IN: 2 A Test WhisperGen De stroom door link representeert het equivalent van de negatieve belasting van de generator zonder ingeschakelde condensator plus de condensator. Gegevens testgeneratoren: $ NAME SORT UNOM PNOM IA/INOM COSNOM R/X C '1 kw MicroGen' MicroGen '1 kw WhisperGen' WhisperGen

11 7.1 Loadflow pmo Het loadflowgedrag wordt vergeleken met negatieve belastingen. MicroGen: IL1: 4,4 A (4,1+j1,6) IN: 4,4 A (-4,1-j1,6) IL1: 4,4 A (4,1+j1,7) IN: 4,4 A (-4,1-j1,7) Belasting: 0 % SL1: 1,0+j0,1 kva SL2: -0,0+j0,0 kva SL3: -0,0+j0,0 kva Stotaal: 1,0+j0,1 kva S = - P - jq = j142.5 W I = (S/U) * = j A I = A WhisperGen (zonder condensator): IL1: 4,4 A (3,4+j2,7) IN: 4,4 A (-3,4-j2,7) IL1: 4,4 A (3,5+j2,7) IN: 4,4 A (-3,5-j2,7) Belasting: 0 % SL1: 1,0-j0,1 kva SL2: -0,0+j0,0 kva SL3: -0,0+j0,0 kva Stotaal: 1,0-j0,1 kva S = - P + jq = j142.5 W I = (S/U) * = j A I = A

12 WhisperGen (met condensator): pmo IL1: 4,6 A (4,5+j0,8) IN: 4,6 A (-4,5-j0,8) IL1: 4,6 A (4,6+j0,8) IL2: 0,0 A (-0,0+j0,0) IN: 4,6 A (-4,6-j0,8) IPE: 0,0 A (0,0-j0,0) Belasting: 0 % SL1: 1,0+j0,4 kva SL2: -0,0+j0,0 kva SL3: -0,0+j0,0 kva Stotaal: 1,0+j0,4 kva Belasting: 0 % Pverlies: 0,00 kw IL1: 4,6 A (-4,6-j0,8) IL2:00A (00+j00) S = - P + jq = j142.5 W I = (S/U) * + jωc U = j A I = A 7.2 Generatorstart Instelling Ia/Inom: 1,1 MicroGen: IL1: 4,8 A (-4,5-j1,8) IN: 4,8 A (4,5+j1,8) Belasting: 0 % SL1: -1,1-j0,2 kva SL2: -0,0+j0,0 kva SL3: -0,0+j0,0 kva Stotaal: -1,1-j0,2 kva S = + P + jq = j142.5 W Ia = (Ia/Inom) * (S/U) * = 1.1 * ( j1.6307) = j A I = A

13 WhisperGen (zonder condensator): pmo IL1: 4,8 A (-4,5-j1,8) IN: 4,8 A (4,5+j1,8) Belasting: 0 % SL1: -1,1-j0,2 kva SL2: -0,0+j0,0 kva SL3: -0,0+j0,0 kva Stotaal: -1,1-j0,2 kva S = + P + jq = j142.5 W Ia = (Ia/Inom) * (S/U) * = j A I = A WhisperGen (met condensator): IL1: 5,0 A (-3,4-j3,7) IN: 5,0 A (3,4+j3,7) Belasting: 0 % SL1: -1,1+j0,3 kva SL2: -0,0+j0,0 kva SL3: -0,0+j0,0 kva Stotaal: -1,1+j0,3 kva S = + P + jq = j142.5 W I = (Ia/Inom) * (S/U) * + jωc U = j A I = A

14 7.3 Kortsluiting pmo MicroGen: I: 5 A P e,nom = 1000 W; cos(ϕ) nom = 0.99; R/X = 8; I a / I nom = 1.2 Z m = U 2 nom / { (I a /I nom ) P e,nom / cos(ϕ) nom } = / { / 0.99 } = Ω X m = Z m / (1+(R/X) 2 ) = / (1+8 2 ) = Ω R m = X m (R/X) = = Ω Z k = R m + X m = j Ω I k = U / Z k = j A I k = A WhisperGen: I: 18 A P e,nom = 1000 W; cos(ϕ) nom = 0.99; R/X = 8; I a / I nom = 4 Z m = U 2 nom / { (I a /I nom ) P e,nom / cos(ϕ) nom } = / { / 0.99 } = Ω X m = Z m / (1+(R/X) 2 ) = / (1+8 2 ) = Ω R m = X m (R/X) = = Ω Z k = R m + X m = j Ω I k = U / Z k = j A I k = A