Converter Compensation of Reactive Power Consumed by the Induction Generator

• Autorzy: Tępiński Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.12845/sft.57.1.2021.5

Warianty tytułu

PL

Przekształtnikowa kompensacja mocy biernej pobieranej przez generator indukcyjny

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Purpose: The purpose of the article is to present a reactive power compensation for small hydropower plants with an induction generator. The classic compensation with capacitors is discussed and its improvement is proposed. Instead of capacitors, a three level power electronic converter connected in parallel to the induction generator can be used to provide reactive power compensation. The purpose of the paper is to present the developed structure of an active compensator and its control method. The developed control method was verified on a laboratory stand. The project and the methods: As part of research, an active compensator was built as a three-level power electronic converter in topology with Neutral Point Clamped. Laboratory tests of a converter compensator were carried out on a stand equipped with an induction generator with a power of 7.5 kW. Laboratory system measurements were made using a power analyzer and an oscilloscope. Results: A control structure of an active compensator based on a voltage-oriented method was presented and discussed. The operation of the converter compensator has been verified on a laboratory stand equipped with a 7.5 kW induction generator. The compensator current reduces the reactive (inductive) component of the current consumed from a power grid to a value equal to zero. The reactive power compensator ensures that the tgφ power factor is maintained at a set value of zero, which corresponds to the total compensation of inductive reactive power consumed by an induction generator working in a hydropower plant. Operation of the active compensator did not cause a significant increase in the harmonic content in the current consumed from the power grid. Conclusions: The paper presents the issues regarding reactive power compensation in hydropower plants with induction generators. Commonly used capacitor compensation has been covered and as a result, it is proposed to replace it with power electronics converter compensation of reactive power connected in parallel induction generators. Active compensator provides compensation for the entire reactive power consumed by the induction generator. The use of the converter compensator of reactive power significantly contributes to the reduction of costs for reactive power incurred by the owners of hydropower plants. The reactive power compensator also has a positive impact on the operation of the entire power grid, power losses from the reactive component of the current on the impedances of power grid components are limited.

PL

Cel: Celem artykułu jest przedstawienie zagadnień kompensacji mocy biernej w małych elektrowniach wodnych wyposażonych w generatory indukcyjne. Omówiono pasywną kondensatorową kompensację mocy biernej i zaproponowano zastąpienie jej przekształtnikowym aktywnym układem kompensacji przyłączonym równolegle do generatora indukcyjnego. Opracowana struktura przekształtnikowego kompensatora oraz metoda jego sterowania zostały zweryfikowane na stanowisku laboratoryjnym. Projekt i metody: Zbudowano aktywny kompensator mocy biernej, w skład którego wchodzi przekształtnik energoelektroniczny wykonany w topologii trójpoziomowej z diodami poziomującymi przyłączonymi z punktem neutralnym. Badania laboratoryjne aktywnego kompensatora przeprowadzono na generatorze indukcyjnym o mocy 7,5 kW. Pomiary parametrów pracy przekształtnikowego kompensatora wykonano przy wykorzystaniu analizatora jakości energii i oscyloskopu. Wyniki: Przedstawiono i omówiono układ sterowania aktywnego kompensatora bazujący na zmodyfikowanej metodzie zorientowanej napięciowo. Działanie kompensatora zostało zweryfikowane na stanowisku laboratoryjnym wyposażonym w generator indukcyjny o mocy 7,5 kW. Prąd kompensatora zmniejsza składową bierną (indukcyjną) prądu pobieranego z sieci do wartości bliskiej lub równej zero. Aktywny kompensator mocy biernej zapewnia utrzymanie współczynnika mocy tgφ na poziomie 0, co odpowiada całkowitej kompensacji mocy biernej indukcyjnej pobieranej przez generator elektrowni wodnej. Praca aktywnego kompensatora nie powoduje znacznego wzrostu zawartości harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci elektroenergetycznej. Wnioski: W artykule przedstawiono zagadnienia kompensacji mocy biernej w elektrowniach wodnych z generatorami indukcyjnymi. Zaproponowano zastąpienie tradycyjnych metod kompensacji kompensatorem aktywnym przyłączonym równolegle do generatora indukcyjnego. Przekształtnikowy kompensator zapewnia całkowitą kompensację mocy biernej pobieranej przez generator indukcyjny. Zastosowanie aktywnego kompensatora przyczyni się do redukcji kosztów ponoszonych za pobór mocy biernej przez właścicieli elektrowni wodnych i wiatrowych wyposażonych w generatory indukcyjne. Przekształtnikowy kompensator mocy biernej ma ponadto pozytywny wpływ na pracę całej sieci elektroenergetycznej, ograniczone są straty mocy od składowej biernej prądu na impedancjach podzespołów sieci elektroenergetycznej.

Słowa kluczowe

EN

renewable source; electricity; reactive power; active compensator; induction generator

PL

odnawialne źródła; energia elektryczna; moc bierna; aktywny kompensator; generator indukcyjny

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Safety & Fire Technology
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 57, iss. 1
• Strony: 64--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys.

Twórcy

autor

Tępiński Jarosław

• Scientific and Research Centre for Fire Protection – National Research Institute / Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego – Państwowy Instytut Badawczy

• https://orcid.org/0000-0002-5005-2795

Bibliografia

• [1] Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament and of the Council of 11 December 2018 on the promotion of the use of Energy from renewable sources, Official Journal of the European Union, L328/82, 21.12.2018.
• [2] Wiśniewski J., Górski D. A., Tępiński J., Koczara W., Power quality improvement of small hydro station, 15th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), Serbia 2012, https://doi.org/10.1109/EPEPEMC.2012.6397313.
• [3] Tępiński J., Wiśniewski J., Koczara W., Reactive Power Compensator of Hydro Induction Generator, 7th International Conference & Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies – EVER 2012, Monaco 2012.
• [4] Tępiński J., Wiśniewski J., Koczara W., Kompensator mocy biernej dla elektrowni wodnej z generatorem indukcyjnym, „Przegląd Elektrotechniczny” 2012, 4b, 259–264.
• [5] Neacsu D. O., Power – switching converters. Medium and high power, Taylor & Francis, London 2006.
• [6] Tępiński J., Aktywny kompensator mocy biernej dla elektrowni wodnej z generatorem indukcyjnym, „Maszyny elektryczne – zeszyty problemowe” 2017, 1(113), 135—140.
• [7] Gorski D. A., Balkowiec T., Koczara W., Grid connection of a converter controlled squirrel-cage induction generator, 7th International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 2018, 348–353, http://dx.doi.org/10.1109/ICRERA.2018.8566730.
• [8] Kołomyjski W., Malinowski M., Kaźmierkowski M. P., Adaptive space vector modulator for three-level NPC PWM inverter-fed induction motor, 9th IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, 2006, 523–528, https://doi.org/10.1109/AMC.2006.1631714.
• [9] Strzelecki R., Benysek G., Power electronics in smart electrical energy networks, Springer, London 2008.
• [10] Bose B., Power electronics and motor drives, Academic Press, London 2020, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821360-5.01001-0.
• [11] Rashid M. H., Power electronics handbook, Butterworth-Heinemann, Oxford, Cambridge, Massachusetts 2017.
• [12] Sajitha M., Ramchand R., Space vector PWM scheme for three phase three level T-type NPC inverter, 2nd International Conference on Intelligent Computing, Instrumentation and Control Technologies (ICICICT), 2019, 523–528, https://doi.org/10.1109/ICICICT46008.2019.8993215.
• [13] Kazmierkowski M. P., Blaabjerg F., Krishnan R., Control in power electronics, selected problem, Elsevier Science, Amsterdam, Boston 2002.
• [14] Malinowski M., Kazmierkowski M. P., Trzynadlowski A. M., A Comparative study of control techniques for PWM rectifiers in AC adjustable speed drivers, "IEEE Transactions on Power Electronics", vol. 18, 2003, https://doi.org/10.1109/TPEL.2003.818871.
• [15] Hari M., Verma A., Halakurki R., Ravela R., Kumar P., A dynamic analysis of SVM based three-level NPC for 3-phase induction motor, 2018 International Conference on Power Energy, Environment and Intelligent Control (PEEIC), India 2018, https://doi.org/10.1109/PEEIC.2018.8665611.
• [16] Jiang W., Wang W., Ma M., Zhai F, Wang J., Improved virtual space vector modulation for three-level neutral-point-clamped converter with feedback of neutral-point voltage, "IEEE Transactions on Power Electronics” 2019, 4, 3996–3996, https://doi.org/10.1109/TPEL.2017.2737030.