Vaihtosuuntauksen ja suodatuksen toteuttaminen tasasähkönjakeluverkossa

Abstract

Pienjännitejakeluverkko Suomessa on toteutettu 400 V:n kolmivaiheisella vaihtosähköllä. Pienestä jännitteestä johtuen 20/0.4 kV:n muuntajat täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa, jotta siirtohäviöt eivät nouse liian suuriksi. Suuremman vaihto- tai tasajännitteen käyttö pienjännitejakelussa kasvattaisi verkon tehonsiirtokapasiteettia ja mahdollistaisi pidempien siirtomatkojen käytön. Käynnissä olevassa tutkimushankkeessa käsitellään vaihtoehtoa, jossa tasajännitettä käytettäisiin 20 kV:n verkon ja kuluttajan välisessä tehonsiirrossa ja kuluttajalla sijaitseva vaihtosuuntaaja muodostaisi tasasähköstä standardien mukaista yksi- tai kolmivaiheista vaihtosähköä. Tässä diplomityössä käsitellään tehoelektroniikan soveltamista kuluttajalle sijoitetussa vaihtosuuntaajassa. Työssä tarkastellaan yksivaiheisia invertteritopologioita, niiden ohjausta ja soveltamista erilaisissa vaihtosuuntaajaratkaisuissa sekä LC- ja LCL-suotimien soveltuvuutta invertterin lähtöjännitteen suodatukseen. Lisäksi esitellään erilaisia rakenneratkaisuja vaihtosuuntauksen toteutukseen ja tarkastellaan näiden järjestelmien vikatilanteita ja sähköturvallisuutta. Lopuksi käsitellään koko järjestelmän häviöitä ja hyötysuhdetta eri suodinkomponenteilla sekä kytkentätaajuuksilla ja esitellään laboratorioprototyyppi. Työssä saatiin selville, että puolisiltainvertteri ei sovellu suurten kondensaattorien vuoksi syöttämään verkkotaajuista kuormaa, vaan joudutaan käyttämään kokosiltainvertteriä. Kokosiltainvertterin ja LC- tai LCL-suotimen käsittävää kokonaisuutta tarkasteltaessa havaittiin, että pienimmät häviöt saavutetaan LC-suotimella 5 %:n ja LCL-suotimella 1 %:n särövaatimuksella. Hyötysuhdekäyrää tarkasteltaessa saatiin sama tulos läpi koko invertterin tehoalueen. Suotimen häviöiden tarkka laskenta on kuitenkin erittäin haasteellista, joten tulokset ovat suuntaa-antavia.

In Finland, a low-voltage distribution network is a 400 V three-phase AC system. Due to the low voltage used, the 20/0.4 kV transformers have to be installed close enough to the customer to avoid too high transmission losses. The use of a higher AC or DC voltage in the LV network increases the power transmission capacity and makes longer distances possible. At present, there is a study in progress, in which direct current is considered in power transmission between the 20 kV distribution network and the customer. At the customer, a single-phase or three-phase inverter is used in the DC/AC conversion. This Master’s thesis focuses on the customer power electronics. In particular, single-phase inverter topologies, control and applications in different customer inverter systems are discussed. Because of the inverter output voltage harmonics, the required output LC and LCL filters are investigated. The work also addresses some fault situations and safety issues. Finally, the losses and efficiency of the entire system are examined with different filter components and switching frequencies. The laboratory prototype system is also introduced. The study shows that the half-bridge inverter is not applicable to low-frequency (50 Hz) applications because of the capacitors with a very high capacitance; therefore, a full-bridge inverter has to be used. Considering the losses of the entire system, we can see that the lowest losses can be achieved with an LC filter with 5 % THD requirements. With 1 % requirements, lowest losses can be achieved with an LCL filter. The same result can be seen on the efficiency curve throughout the output power area of the system. Precise calculations of filter losses are very difficult and because of that, results are indicative.