Suuritehoisten tasasuuntaajien vaikutus sähköverkkoon ja niiden aiheuttamien häiriöiden hallinta

Abstract

Tässä diplomityössä selvitetään suuritehoisten tasasuuntaajien vaikutuksia sähkönlaatuun sähköverkossa sekä tarkastellaan menetelmiä tasasuuntaajien aiheuttamien häiriöiden hallitsemiseksi. Työssä käsitellään eri tasasuuntaajatopologioita ja niiden erityispiirteitä sähkönlaadun näkökulmasta. Tarkastelussa keskitytään erityisesti harmonisten yliaaltojen ja loistehon syntyyn sekä näiden ilmiöiden vaikutuksiin sähköverkon kuormitukseen ja vakauteen.

Tarkastelun kohteena on neljä eri tasasuuntaajatopologiaa, joita ovat 6-pulssinen ja 12-pulssinen tyristoritasasuuntaaja, dioditasasuuntaaja, jota seuraa IGBT-Buck-muunnin sekä IGBT-pohjainen aktiivinen tasasuuntaaja. Kunkin ratkaisun osalta selvitetään niiden sähköverkkoon aiheuttamien häiriöiden luonne ja suuruus erityisesti harmonisten yliaaltojen ja loistehon näkökulmasta. Lisäksi tutkitaan eri vaihtoehtoja häiriöiden hallintaan, ottaen huomioon sekä tekniset että taloudelliset näkökulmat. Tarkastelun viitekehyksenä toimivat ajankohtaiset sähkönlaadun vaatimukset, joihin sisältyvät muun muassa IEEE 519 -standardi.

Työssä suoritetaan teknistaloudellinen vertailu eri tasasuuntaajatopologia ratkaisujen välillä elinkaarikustannusten näkökulmasta. Vertailu perustuu tapaustarkasteluun, jonka avulla analysoidaan eri ratkaisujen vaikutuksia verkon häiriötasoon sekä investoinnin kannattavuuteen. Työn tuloksena esitetään suositus tasasuuntaajatopologiasta, joka osoittautui teknisesti ja taloudellisesti optimaalisimmaksi ratkaisuksi tarkastelluissa verkko-olosuhteissa.

This master's thesis examines the impact of high-power rectifiers on power quality in the electrical grid, as well as methods for managing the disturbances caused by these devices. The study explores various rectifier topologies and their specific characteristics from a power quality perspective. The focus is particularly on the generation of harmonic currents and reactive power, and how these phenomena affect grid loading and stability.

The analysis includes four different rectifier topologies: a 6-pulse and a 12-pulse thyristor-based rectifier, a diode front-end with IGBT-Buck configuration, and an IGBT-based active front-end rectifier. For each topology, the nature and magnitude of disturbances introduced to the grid are assessed, with special emphasis on harmonic distortion and reactive power. In addition, the study investigates different solutions for disturbance mitigation, considering both technical and economic aspects. The evaluation is based on current power quality requirements, including the IEEE 519 standard.

A techno-economic comparison is carried out between the rectifier solutions, focusing on life cycle costs. The comparison is based on a case study approach, which allows for a detailed analysis of each solution’s impact on grid disturbance levels and investment feasibility. The outcome of the work is a recommendation for the rectifier topology that proved to be the most technically and economically optimal under the examined grid conditions.