Regelbare vermogensuitwisseling met een microgrid door een ......Wim Willems door een intelligente...

Wim Willems

door een intelligente transformatorRegelbare vermogensuitwisseling met een microgrid

Academiejaar 2012-2013Faculteit Ingenieurswetenschappen en ArchitectuurVoorzitter: prof. dr. ir. Jan MelkebeekVakgroep Elektrische energie, Systemen en Automatisering

Master in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde-elektrotechniekMasterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Begeleiders: Tine Vandoorn, ir. Jeroen De KooningPromotor: prof. dr. ir. Lieven Vandevelde

Dankwoord

Hoe oprecht ik ook kan zeggen dat dit werk er kwam na intense en tijdrovende inspanningenvan mijn kant, ik heb het niet alleen gedaan.

Mijn begeleiders, dr. ir. Tine Vandoorn en ir. Jeroen De Kooning, wisten me op regelmatigebasis van kritische commentaar en bedenkingen te voorzien. Hun terugkoppeling om groot temaken wat goed was, maar ook om te snijden in wat niet ter zake deed, en hun advies omzaken die niet goed gingen fundamenteel anders aan te pakken, wordt zeer hard gewaardeerd.Ik kon ook steeds op hen rekenen bij vragen of problemen. Mijn promotor Prof. dr. ir. LievenVandevelde wil ik bedanken voor de ondersteuning van dit onderzoek. Ook wil ik hem dankenvoor zijn lessen die hij steeds met veel enthousiasme wist te brengen.

Dr. ir. Thomas Vyncke wil ik danken voor zijn introductieles en zijn deskundige ondersteuningbij het werken met de FPGA. Tony en Stefaan wil ik danken voor de technische ondersteuningen hun werk om samen met mij de intelligente transformator naast puur functioneel ook properen intuıtief te maken. Tony wil ik in het bijzonder danken om samen met mij ‘het axioma vanOnslow’ te ontwikkelen. Een axioma dat in de technische wereld al geruime tijd veel navolgingkrijgt, maar tot dusver steeds naamloos werd toegepast.

Ook mijn medestudenten Louis en Joachim wil ik danken. Louis voor de gezellige babbels tijdenseen koffietje en de nuttige tips die hij me gaf in verband met de opmaak van deze thesis. Joachimvoor het delen van leed met betrekking tot het kapot gaan van onderdelen en de hulp bij hetwerken met de FPGA. Mitko en Francisco dank ik voor de aangename momenten in en buitenhet labo, en voor hun tips in verband met de werking van de infrastructuur van het labo.

Mijn ouders verdienen hier zeker hun plaats. Ze hebben mij de kans gegeven om me te ont-wikkelen in de richting die ikzelf wilde uitgaan en hun onvoorwaardelijke steun daarbij is vanonschatbare waarde. Mijn vrienden wil ik danken voor hun vriendschap en leuke en interessantemomenten naast de masterproef.

Mijn vriend Mathias wil ik danken om er altijd voor me te zijn, maar ook voor zijn interessein dit onderwerp en zijn naleeswerk, zodat zo veel mogelijk taalfouten uit deze thesis gehaaldwerden.

Wim Willems 30 mei 2013

i

Toelating tot bruikleen

De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delenvan de masterproef te kopieren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder debeperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bronuitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef.

de auteur

Wim Willems

ii

Overzicht

Regelbare vermogensuitwisseling met een microgriddoor een intelligente transformator

Wim Willems

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad vanMaster in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde-elektrotechniek

Promotor: prof. dr. ir. Lieven VandeveldeBegeleiders: dr. ir. Tine Vandoorn, ir. Jeroen De Kooning

Vakgroep Elektrische energie, systemen en automatiseringVoorzitter: prof. dr. ir. Jan MelkebeekFaculteit IngenieurswetenschappenAcademiejaar 2012-2013

Het doel van deze masterproef is het realiseren van een intelligente transformator die vermo-gensuitwisseling tussen een microgrid en het elektriciteitsnet mogelijk maakt. De intelligentetransformator kan de vermogensuitwisseling controleren door het regelen van de spanning aande microgrid-zijde. De decentrale productie-eenheden in het microgrid zijn uitgerust met eenspanningsgebaseerde droop regeling en zullen reageren op deze spanningswijziging, waardoorde intelligente transformator de vermogensuitwisseling regelt zonder dat het noodzakelijk is tecommuniceren met andere elementen in het microgrid.Voor het bouwen van een intelligente transformator zijn verschillende concepten mogelijk. Bijeen intelligente transformator met ononderbroken aanpasbare windingsverhouding, kan de span-ning aan de microgrid-zijde van de transformator zeer nauwkeurig en traploos worden geregeld.Bij een intelligente transformator met trapsgewijze aanpasbare windingsverhouding wordt in-geboet aan nauwkeurigheid en is de regeling niet traploos. Het voordeel van een dergelijketransformator is dan weer dat de praktische uitvoering kan gebeuren door middel van elektro-nische schakelaars, waardoor de regelwerking van de intelligente transformator zeer snel kanuitgevoerd worden.In dit werk worden beide principes uitgewerkt en praktisch gerealiseerd. De intelligente trans-formatoren worden vervolgens ingezet om in verscheidene netwerken en bij verschillende belas-tingstoestanden het actief vermogen te regelen. Op basis van metingen en simulaties wordende concepten getest op hun functioneren en worden conclusies getrokken met betrekking tot dewerking van de intelligente transformator als regelorgaan van vermogen en spanning.

Trefwoorden:decentrale energieproductie, intelligente transformator, microgrid, spanningsgebaseerde droopregeling

iii

1

Development of a Smart Transformer toControl the Power Exchange of a Microgrid

Wim WillemsSupervisors: Prof. dr. ir Lieven Vandevelde, dr. ir. Tine Vandoorn, ir. Jeroen De Kooning

Abstract—A smart transformer enables to control the powerexchange between a microgrid and the utility grid and cancontrol the power exchange by controlling the voltage at themicrogrid side within certain limits. The DG units in themicrogrid equipped with a voltage based droop control willreact on this voltage change, making the smart transformeran element that controls power exchange without the need ofcommunication to other elements in the microgrid. To build asmart transformer, several concepts are possible. In a smarttransformer with continuous adaptable turns ratio, hereafterreferred to as continuous smart transformer, the transformer’smicrogrid-side voltage can be controlled without voltage stepsand the accuracy of the voltage control can be very high. Thevoltage control of a smart transformer with discrete adaptableturns ratio, hereafter referred to as discrete smart transformer, isless accurate, as the output voltage is regulated between severaldiscrete values. In this thesis, a continuous and discrete smarttransformer will be elaborated and simulations will be carriedout to prove the functional operation. Afterwards, measurementsare made of the operation of the intelligent transformer in variousenvironements.

Index Terms—smart transformer, microgrid, distributed gen-eration units, droop control, on load tap changing transformer

I. INTRODUCTION

In a microgrid, producers and consumers exchange energyin a peer-to-peer principle [1]. It is typical that the microgridis only connected to the macro grid trough a single Point ofCommon Coupling (PCC). When the microgrid is connectedto the utility grid, the differences between supply and demandcan be eliminated as the utility grid becomes a slack bus. Anadvantage is that for the rest of the network, the microgridcan be seen as a controllable entity. This provides significantbenefits for both the microgrid participants through scalingand aggregating, and for the utility network operator, that doesnot need to consider all units separately [2]. Integrating largeamounts of renewable energy in the microgrid requires theability to control the power exchange between the microgridand the utility grid. This can be done via a communicationnetwork to all decentralised production units and consumers inthe microgrid. However, this requires a large additional invest-ment in additional communications, may restrict the systemsreliability and can cause delays. In [3], another possibility isproposed. Here, the utility grid communicates only with thePCC of the microgrid, the transformer located at the PCCalters its microgrid-side voltage accordingly. The decentralisedproduction units fit their output voltage automatically, depend-ing on the power exchange value that is communicated to thePCC.

II. SMART TRANSFORMER CONCEPT

The power exchange between microgrid and utility gridis controlled by a transformer with variable winding ratioand a control unit, the combination is described as smarttransformer. The smart transformer will enable bidirectionalpower exchange between utility grid and microgrid, gatherinformation to determine the optimal set point for powerexchange and enable to exploit the microgrid as one single unitin the utility network. To control the power exchange betweenthe utility network and the microgrid, the smart transformerhas to control the voltage on the microgrid side, workingas an On Load Tap Changer (OLTC). Hence, the voltage-based control of the microgrid DG-units [4] is coupled to avoltage based control of the smart transformer. In this way,the microgrid can adapt automatically and without the needof communication to change the power exchange by the smarttransformer.

III. CONTINUOUS VS. DISCRETE SMART TRANSFORMER

In the continuous smart transformer, a variable voltage isobtained by means of a carbon brush which can be rotated ona silver-plated commutator on the circumference of a ring coretransformer. For the drive of the brushes, an electric motor isused. The motor is driven by an ’up’ or ’down’ command. Itshould be taken into account that the output voltages on bothsides can be adjusted, both in positive and negative direction.This involves the use of some additional windings on theautotransformer, as shown in Fig. 1. In the discrete smarttransformer system, one step-down isolation transformer isused in which the secondary can be made variable by meansof a step switch. This principle is similar to the conventionalOLTC’s. Switching on the primary would have the advantagethat less high currents has to be switched, but this primarywinding is often covered by the secondary winding, thereforethe installation of taps is very difficult. Therefore, in Fig. 2,a configuration is proposed with taps on the secondary side.The direction of the current through the secondary windingis determined by a change-over switch, which can determinewhether the isolation transformer will provide for a voltageincrease or decrease. The other switches on the secondarywinding determine the magnitude of the voltage variation. Themaximum control range is determined by the winding ratio ofthe isolation transformer. The power variation is now only stepby step adjustable, hence the name ’discrete transformer’.

2

0-280VAC

230VAC

Fig. 1. Continuous smart transformer

220-240VAC

230VAC

Fig. 2. Discrete smart transformer

UTIL

ITY G

RID

IU

VU

Iµ

Vµ

R1

VD

R2

VC

ID

ZC

SM

ART

TR

AN

SFO

RM

ER

DG

-UN

IT

Fig. 3. Laoratory setup

IV. MEASUREMENTS WITH FULLY DISPATCHABLEDG-UNIT

In the labaratory, a setup with the smart transformer coupledto a fully dispatchable DG-unit was realised. The scheme isshown in Fig. 3. In this setup a consumer was added, simulatedby a load of ZC = 60Ω. The set-value of the transformerwas altered between 0W , −200W en 200W , where theminus sign represents power delivered to the microgrid. Themeasurements of voltages and active power are shown inFig. 4. On the set-value of −200W , the smart transformerrealises a power flow towards the microgrid. The DG-unitresponses by lowering its output power. The switch of powersource is realised due to the voltage at the microgrid-side ofthe transformer becoming higher than the voltage at the DG-unit. From the voltage measurements, it is clear that there isa relation between the voltage at the microgrid side of thetransformer and the delivered or extracted active power.

V. MEASUREMENTS WITH LESS DISPATCHABLE DG-UNIT

When a restriction is applied to the delivered power of theDG-unit, it becomes less dispatchable. This is done in thesetup of Fig. 3, leading to the measurements of Fig. 5. Theset-value of the transformer was here also altered between0W , −200W en 200W . The behaviour of the set-up is onlydifferent in the case of extracting 200W . Here, the total powerdemanded from the DG-unit reaches the maximum power. Asa consequence, the voltage at the DG-unit drops, resultingto a relatively low voltage in the microgrid. Therefore, it issuggested to implement upper and lower limits to the voltageat the microgrid side of the smart transformer.

Fig. 4. Measurement on a setup with transformer coupled to a fullydispatchable DG-unit. (See Fig.5 for units)

Fig. 5. Measurement on a setup with transformer coupled to a lessdispatchable DG-unit. (Upper figure: − = Vµ, voltage measured at themicrogrid side of the transformer; −− == VD , voltage (V) measured at theDG-unit; ·− == VC , voltage (V) measured at the consumer) (Lower figure:− = active power (W) measured at the microgrid side of the transformer,−− = active power (W) measured at the DG-unit, ·− = active power (W)measured at the consumer) (Horizontal axis time scale: seconds)

VI. CONCLUSION

In this thesis, two principles of operation of a smart trans-former were developed and have proven to be functional asa smart transformer. The power exchange between utility gridand microgrid is being realised bij changes in the microgrid-side voltage. In the thesis, more setups have been developedand more measurements are presented.

REFERENCES

[1] R. H. Lasseter and P. Paigi, ”Microgrid: A Conceptual Solution”, Proc.IEEE Power Electron. Spec. Conf. (PESC 2004), 2004, Aachen, Germany

[2] P. M. Costa and M. A. Matos, Assessing the contribution of microgridsto the reliability of distribution networks, Electrical Power SystemsResearch, Feb. 2009, vol.79, no. 2, pp. 382-389

[3] T. L. Vandoorn, J. D. M. De Kooning, B. Meersman, J. Guerrero, and L.Vandevelde, Voltage-based control of a smart transformer in a microgrid,IEEE Transactions on Industrial Electronics Apr. 2013, vol. 60, no. 4,pp. 12911305

[4] T. L. Vandoorn, B. Meersman, L. Degroote, B. Renders and L. Vande-velde, ”A Control Strategy for Islanded Microgrids with dc-link VoltageControl”, IEEE Transactions on Power Delivery, Apr. 2011, vol.26, no.2, pp. 703-713

Inhoudsopgave

1 Inleiding 11.1 Situering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Overzicht van het werk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Het huidige elektriciteitsnet 42.1 Kader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1 Leveranciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.2 Transmissienet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.3 Distributienet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.4 Regulering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Werking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.1 Centrale productie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.2 Evenwicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.3 Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.4 Oorzaken van spanningsval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Spanningsregeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.1 Noodzaak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.2 Werkingsprincipe van OLTCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.3 OLTCs in standaard vermogentransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.4 OLTCs in autotransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.5 OLTCs in dwarsregeltransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Types OLTCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4.1 Algemeen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.4.2 OLTC met afzonderlijke stroomomschakelaar en selectieschakelaar . . . . 172.4.3 OLTC met gecombineerde stroomomschakelaar - selectieschakelaar . . . . 20

2.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Intelligente elektriciteitsnetten 223.1 Kader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.1 Definitie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.1.2 Samenstelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.3 Drijfveren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Werking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.1 Decentrale productie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.2 Evenwicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.3 Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Spanningsregeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.1 Noodzaak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.3.2 Werkingsprincipe intelligente transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.4 Types intelligente transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

vi

Inhoudsopgave vii

3.4.1 Continue transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.4.2 Discrete transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 Realisaties 344.1 Continue transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1.1 Uitvoeringsvorm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.1.2 Elektrische aansluiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.1.3 Aansturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.2 Discrete transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2.1 Uitvoeringsvorm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2.2 Elektrische aansluiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.2.3 Aansturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3 Stuurelektronica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.3.1 FPGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.3.2 Spanningsmeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.3.3 Stroommeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.3.4 Analoge RMS-conversie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.3.5 Digitale RMS-conversie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.4 Belastingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5 Simulaties 475.1 Continue transformatormodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.1.1 Model zonder belasting - aan/uit regeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.1.2 Model zonder belasting - P regeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.1.3 Model met belasting - spanningsregeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.1.4 Model met belasting - vermogensregeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2 Discreet transformatormodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.2.1 Model zonder belasting - aan/uit regeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.2.2 Model zonder belasting - PI regeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605.2.3 Model met belasting - spanningsregeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.2.4 Model met belasting - vermogensregeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.3 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6 Metingen 726.1 Continue transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.1.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.1.2 Vermogensregeling tussen twee netten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.1.3 Verbeteren nauwkeurigheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.2 Discrete transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.2.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796.2.2 Vermogensregeling tussen twee netten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6.3 Intelligente transformator met bijkomende spanningsgebaseerde droopregeling . . 826.4 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7 Implementatie 867.1 Opbouw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867.2 Smart transformer gekoppeld aan microgrid met onbeperkt belastbare DG-eenheid 86

7.2.1 Vaste last, variabele wenswaarde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867.2.2 Variabele last, vaste wenswaarde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Inhoudsopgave viii

7.3 Smart transformer gekoppeld aan microgrid met beperkt belastbare DG-eenheid 927.3.1 Vaste last, variabele wenswaarde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927.3.2 Variabele last, vaste wenswaarde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

7.4 Discrete transformator gekoppeld aan microgrid met een beperkt belastbare DG-eenheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7.5 Intelligente transformator met bijkomende spanningsgebaseerde droopregeling ge-koppeld aan microgrid met beperkt belastbare DG-eenheid . . . . . . . . . . . . 98

7.6 Netspanningsvariaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.6.1 Netspanningsvariaties bij continu TFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.6.2 Netspanningsdips bij discrete TFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

7.7 Calamiteiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027.7.1 Wegvallen van belasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027.7.2 Wegvallen van DG-eenheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047.7.3 Wegvallen van netkoppeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.8 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8 Slotbeschouwingen en verder onderzoek 1088.1 Besluiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1088.2 Mogelijkheden voor verder onderzoek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

9 Bijlagen 111

Bibliografie 112

Lijst van afkortingen

AC Alternating Current

ADC Analog to Digital Convertor

DAC Digital to Analog Convertor

DC Direct Current

DG Distributed Generation

FPGA Field-Programmable Gate Array

HS Hoogspanning

HV High Voltage

IC Itegrated Circuit

LS Laagspanning

LV Low Voltage

MS Middenspanning

MV Medium Voltage

OCTC Off Circuit Tap Changer

OLTC On Load Tap Changer

PC Personal Computer

PCC Point of Common Coupling

PID Proportioneel, Integrerend en Differentierend

RMS Root Mean Square

WKK Warmte Kracht Koppeling

ix

Hoofdstuk 1

Inleiding

1.1 Situering

Spanningsregeling wordt in het huidige elektriciteitsnet voornamelijk toegepast met als doel despanning bij de eindverbruiker binnen bepaalde limieten te houden, bijvoorbeeld 10% bovenen 10% onder de nominale waarde. De regelingen anticiperen daarbij op spanningsval in delaagspanningsleidingen veroorzaakt door bijkomende belasting in het net. Deze spanningsval isafhankelijk van de belasting en kan niet weggeregeld worden doordat er bij de eindverbruikergeen spanningsregeling geplaatst is. Ook de spanningsval in de middenspanningsleiding en despanningsval in de distributietransformator kunnen niet weggeregeld worden. Het is op hedenimmers niet gebruikelijk de distributietransformatoren met een spanningsregeling te voorzien.Daarom is het van zeer groot belang de spanning op de middenspanningsnetten nagenoeg con-stant te houden. Het stabiel houden van deze spanning vormt dus een manier om de spanningbij de eindverbruiker binnen bepaalde grenzen te houden. Grote hoeveelheden lokale productiebinnen een distributienet zorgen er echter voor dat de traditionele regelsystemen voor spannings-stabilisatie niet meer nauwkeurig werken, met een lokale verhoging van de spanning tot gevolg.Er dient dus voor deze systemen een nieuwe spanningsregeling bedacht te worden.

In een microgrid wisselen producenten en verbruikers energie met elkaar uit volgens een peer-to-peer principe. Kenmerkend voor een microgrid is dat deze slechts via een gemeenschappelijkaansluitingspunt of ‘point of common coupling’, ook wel ‘PCC’, gekoppeld is aan het macrogridzodat het zichzelf kan loskoppelen en vervolgens in zelfstandige eilandmodus kan functioneren.Wanneer het microgrid in eilandbedrijf werkt dient lokale productie volledig afgestemd te zijnop het lokale verbruik, zodat het geheel zichzelf kan voorzien van energie. De hoeveelheid ge-produceerde energie wordt verdeeld over de verschillende aanwezige verbruikers, al dan niet meteen vorm van prioriteiten. Bij een tekort aan elektriciteit, zal een aantal verbruikers niet kunnenverbruiken en omgekeerd zal bij een overschot een aantal verbruikers worden aangeschakeld. Hetmicrogrid functioneert volledig zonder centrale controle, zodat op ieder ogenblik actoren zichzelfkunnen toevoegen of verwijderen, volgens een plug-and-play filosofie.

Wanneer het microgrid gekoppeld is aan het distributienet kan het distributienet de verschil-len tussen vraag en aanbod wegwerken. Het gehele microgrid dient zich dan voor het netwerkvoor te doen als 1 enkele controleerbare eenheid. Om historische redenen (centrale productie)werd elektrisch vermogen steeds getransporteerd van hoogspanning naar laagspanning. Doorhet verhoogde aantal gedecentraliseerde productie-eenheden ontstaan echter ook vermogensstro-men van laagspanning naar hoogspanning. Het integreren van grote hoeveelheden hernieuwbareenergie in het microgrid vereist de mogelijkheid om de vermogensuitwisseling tussen microgriden het distributienet te kunnen regelen. Dit kan via communicatie van het distributienet naaralle gedecentraliseerde productie-eenheden en verbruikers in het microgrid. Dit vereist echter

1

Hoofdstuk 1. Inleiding 2

een zeer grote extra investering in bijkomende communicatienetwerken. Een andere mogelijk-heid bestaat erin het distributienet te laten communiceren met het PCC van het microgrid.De gedecentraliseerde productie-eenheden passen hierin hun uitgangsspanning automatisch aan.Uitendelijk zorgt deze methode voor een vermogensregeling vanuit het distributienet. De vermo-gensuitwisseling tussen microgrid en het distributienet wordt geregeld door een transformatormet variabele windingsverhouding en een regeleenheid, deze combinatie wordt omschreven alsintelligente transformator. Deze zal de bidirectionele vermogensuitwisseling tussen distributieneten microgrid controleren, informatie verzamelen voor het bepalen van het optimale setpunt voorvermogensuitwisseling en het mogelijk maken het microgrid uit te baten als 1 controleerbareeenheid.

Om de vermogensuitwisseling tussen het distributienet en het microgrid te regelen, wijzigt deintelligente transformator de spanning aan de microgrid-zijde. Hierdoor is de spanningsgeba-seerde regeling van de productie-eenheden en de verbruikers gekoppeld met de regeling van despanning aan de micgrogrid-zijde van de intelligente transformator. Het microgrid kan zich zoautomatisch en zonder nood aan bijkomende communicatie aanpassen aan wijzigingen aan hetvermogen door de intelligente transformator en omgekeerd. Ook laat de intelligente transfor-mator toe dezelfde regelstrategieen te gebruiken voor de decentrale productie-eenheden en deverbruikers, en dit zowel in de eilandmodus als in netgekoppelde modus.

1.2 Overzicht van het werk

Hoofdstuk 1 tracht een algemene en korte situering te geven van de masterproef. Tevens wordteen overzicht gegeven van de hieropvolgende hoofdstukken.

Hoofdstuk 2 beschrijft het huidige elektriciteitsnet. Er wordt verklaard wie welke rol opneemtop de vrijgemaakte energiemarkt en de technische werking wordt toegelicht met een focus opcentrale productie. Van daaruit worden de huidige principes van spanningsregeling besproken,met veel aandacht voor de technische werking van OLTC’s. De technieken die hier toegepastworden zullen immers ook toegepast kunnen worden bij het vervaardigen van de intelligentetransformator.

Hoofdstuk 3 beschrijft intelligente elektriciteitsnetten. Er wordt een inzicht gegeven in hoe dezenetten van de toekomst er zouden kunnen uit zien en de technische werking ervan wordt toegelichtmet een focus op decentrale productie. De noodzaak aan een nieuw type spanningsregeling wordtuiteengezet en de oplossing wordt aangereikt door twee types intelligente transformatoren diekort besproken worden.

Hoofdstuk 4 beschrijft de realisatie van de continue en discrete intelligente transformator. Ver-eenvoudigde elektronische en elektrische schema’s worden hier opgenomen om de lezer een inzichtte geven in de werking van de stuurelektronica en de elektrische componenten. Er wordt ookeen korte toelichting gegeven bij de belastingen die zullen gebruikt worden om een realistischeproefopstelling te bekomen.

Hoofdstuk 5 geeft simulatiemodellen van de continue en discrete intelligente transformator. Dezemodellen worden aanvankelijk getest op hun regelwerking bij onbelaste toestand en wordenvervolgens uitgebreid zodat ze ook belast kunnen worden en opdat het meten van spanningen,stromen en vermogens mogelijk wordt. Tenslotte worden de modellen ook onderworpen aanlastvariaties en netspanningsvariaties.

Hoofdstuk 6 geeft metingen van de vermogensregeling tussen twee netten. De opstelling wordtweergegeven en daarin wordt achtereenvolgens de continue intelligente transformator en de dis-

Hoofdstuk 1. Inleiding 3

crete intelligente transformator opgenomen. Voor de continue intelligente transformator wordteen manier voorgesteld die een verbetering van de regelnauwkeurigheid tot gevolg kan hebben.In dit hoofdstuk wordt tenslotte ook geexperimenteerd met een bijkomende spanningsgebaseerdedroopregeling in de intelligente transformator.

Hoofdstuk 7 geeft metingen bij vermogensregeling tussen het elektriciteitsnet en een gesimu-leerd microgrid. De opbouw van de opstelling wordt verklaard aan de hand van enkele schema’s.In het microgrid wordt achtereenvolgens een onbeperkt regelbare en een beperkt regelbare de-centrale productie-eenheid opgenomen. Hoewel de meeste metingen gebeuren met de continueintelligente transformator, wordt bewezen dat ook de discrete transformator bruikbaar is voordeze toepassingen. De implementatie van een bijkomende spanningsgebaseerde droopregeling inde intelligente transformator wordt hier gebruikt om bij te dragen tot het vermijden van hetoverschrijden van begrenzingen op de spanning bij de eindverbruiker. In deze opstelling wordenook netspanningsvariaties gesimuleerd en hun effecten gemeten. Ten slotte wordt het gevolg vancalamiteiten als het plotseling wegvallen van de belasting, de decentrale productie-eenheid of denetkoppeling onderzocht.

Hoofdstuk 8 geeft algemene slotbeschouwingen en doet enkele suggesties naar verder onderzoekop het terrein van de intelligente transformator.

Hoofdstuk 2

Het huidige elektriciteitsnet

2.1 Kader

2.1.1 Leveranciers

De Europese unie legde op dat tegen juli 2007 alle individuele consumenten in staat moetenzijn om vrij hun leverancier voor elektrische energie te kiezen, hetgeen voor concurrentie tussenleveranciers onderling zou zorgen [1]. De leveranciers staan in voor de verkoop van elektriciteitaan de klant en de aankoop van de elektriciteit bij een producent of op de elektriciteitsbeurs.

Een leverancier kan producent zijn, maar dit is niet noodzakelijk het geval. Leveranciers dieniet zelf produceren, moeten hun energie aankopen bij een producent of op de energiebeurzen.De Belgische elektriciteitsbeurs, is een platform waarop transacties worden afgesloten met be-trekking tot de verhandeling van elektriciteit die te leveren is door middel van injecties en/ofafnames in de Belgische regelzone. In juli 2005 werd in het kader van de vrijmaking van deelektriciteitsmarkt de N.V. BELPEX (BELgian Power EXchange) opgericht, die de handel inde Belgische regelzone faciliteert. BELPEX is voor 100% in handen van APX-Endex. DeAPX (Amsterdam Power EXchange) werd opgericht op 25 mei 1999 en is vanaf dat ogenblikde Nederlandse elektriciteitsbeurs. Op de ENDEX (European Energy Derivatives Exchange)worden derivaten verhandeld met elektriciteit en gas als onderliggende waarden. In december2008 combineerden APX en ENDEX de activiteiten, en veranderde de organisatie haar naam inAPX-ENDEX. BELPEX heeft tot doel een transparante, niet discriminerende en professionelemarkt voor energie-uitwisseling te organiseren. Een dergelijke markt zorgt voor een optimale af-stemming tussen de aankooporders en de verkooporders die de deelnemers indienen. Op langeretermijn wordt gestreefd naar een eengemaakte Europese elektriciteitsmarkt. Op 18 maart 2010maakten zes energiebeurzen een samenwerkingsverband bekend om dit te realiseren. Deze beurszal een sterke marktkoppeling verwezenlijken tussen Belgie, Nederland, Luxemburg, Frankrijk,Duitsland, scandinavie en het Verenigd Koninkrijk.

2.1.2 Transmissienet

Het transmissienet vormt de ruggengraat van het elektriciteitsnet, omdat het de grootste elek-triciteitscentrales en de grootste belastingscentra met elkaar verbindt. Bovendien verzorgt hettransmissienet ook de koppeling met het elektrische net van andere landen om uitwisseling vanelektriciteit op internationaal vlak mogelijk te maken. Om de verliezen tijdens het transportte beperken, wordt het net uitgebaat op de hoogste spanningsniveaus. In Europa zijn 220kVen 400kV gebruikelijk. In Rusland zijn 500kV en 750kV meer gebruikelijk, aangezien de hoog-spanningslijnen daar vaak langere afstanden overbruggen. Het transmissienet wordt vermaasduitgevoerd. Dit wil zeggen dat de hoogspanningslijnen gesloten lussen vormen over een uitge-strekt gebied.

4

Hoofdstuk 2. Het huidige elektriciteitsnet 5

Het subtransmissienet maakt de verbinding tussen de grotere elektriciteitscentrales en het trans-missienet maar verbindt ook het transmissienet met het distributienet. Ook grote industrieleverbruikers worden verbonden met dit net. In tegenstelling tot het transmissienet dient hetsubtransmissienet niet voor internationaal transport van elektriciteit. De spanningsniveaus zijnlager dan die van het transmissienet. In Europa zijn 70kV, 110kV en 150kV gebruikelijk. Ookhet subtransmissienet wordt vermaasd uitgevoerd.

De transmissienetbeheerder moet onafhankelijk zijn van de leveranciers en producenten en isverantwoordelijk voor de exploitatie en het onderhoud van het transmissienet, zijn interconnec-ties en het subtransmissienet. De transmissienetbeheerder heeft een gereguleerd monopolie enheeft als belangrijkste taken:

• Infrastructuurbeheer: het onderhoud en de ontwikkeling van het hoogspanningsnet en deaansluiting van elektrische installaties op het net

• Systeembeheerder: het verlenen van toegang tot het hoogspanningsnet op een vlotte, ob-jectieve en transparante manier, de levering van alle diensten voor de transmissie van elek-triciteit, het opvolgen van de stromen op het hoogspanningsnet om over de goede werkingte waken en het beheer van het evenwicht tussen verbruik en productie van elektriciteitop elk moment

• Marktfacilitator: het ontwikkelen van initiatieven om de werking van de elektriciteitsmarktte bevorderen

De Belgische overheid heeft sinds 2002 een wettelijk monopolie voor de transmissienetbeheerder‘Elia system operator’, kortweg ‘Elia’, voorzien. Deze licentie geldt voor een periode van 20 jaar.Elia is hiermee de eigenaar en de beheerder van het Belgische hoogspanningsnet. De juridischebevoegdheden van de transmissienetbeheerder zijn vastgelegd in de elektriciteitswet [2] en sprei-den zich tussen de federale overheid en de gewesten. De gewesten hebben hun bevoegdhedenelk op een verschillende manier ingevuld. Het Waalse en Brusselse gewest maken een verdereopsplitsing voor het beheer van de netten met een spanning van 70 kV en lager. Wallonie maakteen onderscheid tussen de lokale transportnetbeheerder en de distributienetbeheerders, Brusseltussen de regionale transportnetbeheerder en de distributienetbeheerders. Vlaanderen heeft opjuridisch vlak geen splitsing gemaakt, al komt deze in de praktijk wel tot uiting bij de erkenningvan de diverse distributienetbeheerders. Concreet betekent dit dat Elia federaal transmissienet-beheerder is, lokaal transportnetbeheerder is in Wallonie, regionaal transmissienetbeheerder inBrussel en distributienetbeheerder in Vlaanderen, dit voor de netten met een spanning van 70kV tot en met 30 kV [3].

Sinds 1 juni 2009 is ENTSO-E (European Network of Transport System Operators of Electricity)de overkoepelende operationele beheerder van het Europese elektriciteitsnet. ENTSO-E nam opdie datum immers alle operationele taken over van de bestaande transmissienetbeheerders in deEuropese Unie. Onder hen ook de transmissienetbeheerder van vele West-Europese staten UCTE(Union for the Coordination of the Transmission of Electricity), waaronder ook het Belgischehoogspanningsnet viel. ENTSO-E is daarmee verantwoordelijk voor de elektriciteitsbehoefte vanmeer dan 500 miljoen mensen. Om een idee te geven van de omvang van het ENTSO-E netwerkwerd tabel 2.1 opgesteld.


Tabel 2.1: ENTSO-E: aangesloten landen [4]

Voormalig transmissienetbeheerder Deelnemende landen

BALTSO Estland, Letland, Litouwen

UKTSOA/ATSOI Groot-Brittannie, Noord-Ierland, Ierse Republiek

NORDEL Denemarken, Finland, IJsland Noorwegen, Zweden

UCTE noordwest Oostenrijk, Belgie, Frankrijk, Duitsland,Luxemburg, Nederland, Zwitserland

UCTE noordoost Tsjechische Republiek, Hongarije, Polen,Slovaakse Republiek, West-Oekraıne

UCTE zuidoost Bosnie-Herzegovina, Bulgarije, Griekenland,Voormalige Joegoslavische Republiek Macedonie,

Montenegro, Roemenie, Servische Republiek

UCTE centraal-zuid Italie, Slovenie, Kroatie

UCTE zuidwest Portugal en Spanje

Andere deelnemende landen Albanie en Cyprus

2.1.3 Distributienet

Het distributienet maakt de verbinding met de verbruiker. In tegenstelling tot het transmissieneten het subtransmissienet kent het distributienet, historisch gezien, slechts eenrichtingsverkeer:van producent naar verbruiker. Het distributienet wordt typisch uitgebaat op middenspanning,meer bepaald een spanning tussen 4kV en 36kV. De voeding naar de eindverbruiker gebeurtmeestal op laagspanning, in Europa zijn 110V, 230V, 400V of 690V gebruikelijk. Het distribu-tienet wordt radiaal uitgevoerd. Dit wil zeggen dat alle verbindingen vanuit een centraal puntvertrekken.

De distributienetbeheerders zijn verantwoordelijk voor de uitbating, het onderhoud, de uitbrei-ding en verbetering van het midden- en laagspanningsnetwerk in een bepaald gebied. Ze dienenervoor te zorgen dat de energie feilloos tot in de woningen en de kleine en middelgrote bedrijvenkomt. Dit blijft een monopolieactiviteit, om te garanderen dat het net zo efficient mogelijk ge-bruikt wordt en om te vermijden dat verschillende netten naast elkaar zouden aangelegd worden.Distributienetbeheerders zijn ook verantwoordelijk voor rationeel energie gebruik. De Vlaamsedistributienetbeheerders werden in 2002 door de VREG (Vlaamse Reguleringsinstantie voor deElektriciteits- en Gasmarkt) vastgelegd voor een periode van 12 jaar. De distributienetbeheer-ders kiezen zelf door welke instantie ze hun infrastructuur laten beheren, dit blijkt uit tabel2.2.

Tabel 2.2: Distributienetbeheerders in Vlaanderen [5]

Distributienetbeheerder Doet beroep op

AGEM (Merksplas), DNB-BA (Brussels Airport), Eigen beheerGemeentelijk havenbedrijf Antwerpen, PBE, Elia (70-30kV)

Gaselwest, IMEA, Imewo, Intergem, Iveka, Iverlek en Sibelgas Eandis cvba

Interelectra, Iveg en WVEM Infrax cvba


2.1.4 Regulering

Het monopolie van een netbeheerder moet onder toezicht staan van een onafhankelijke regulator.Hij moet de transmissie- en distributienetbeheerders controleren en hun efficientie nagaan. Deregulator moet de toegang tot het net organiseren en ook instaan voor een evenwichtige relatietussen verschillende marktpartijen. Hij moet zorgen dat eventuele conflicten tussen marktpar-tijen opgelost raken of, als dat onmogelijk blijkt, een gefundeerd oordeel vellen. In Belgie zijnde bevoegdheden verdeeld over de federale staat en de gewesten, waardoor er vier regulatorenzijn. Deze zijn te vinden in tabel 2.3.

Tabel 2.3: Regulatoren in Belgie [6]

Overheid Regulator Bevoegdheid

Federaal CREG transport > 70kV , centrale productie,tarieven, nucleaire cyclus

Gewesten VREG, transport ≤ 70kV , decentrale productie,CWaPE, Brugel hernieuwbare energie en WKK, rationeel energiegebruik,

sociaal energiebeleid

2.2 Werking

2.2.1 Centrale productie

Bij het begin van de vorige eeuw werden elektriciteitscentrales steeds groter en omvangrijkerwegens de enorme schaalvoordelen die de sector ermee kende [7]. Naarmate de installatiesgroter werden, kon er aan veel lagere kost geproduceerd worden. Zo bedroeg de gemiddeldeprijs van een kWh elektriciteit in 1903 nog 40 goudcentimes, terwijl deze in 1914 gedaald wastot 14 goudcentimes. De prijsdaling zorgde voor een grotere vraag, waardoor de investeringensneller werden terugbetaald en verdere expansie mogelijk werd. De schaalvoordelen leidden toteen concentratiebeweging in de productie. Een voorbeeld hiervan is de supercentrale van Schelledie ontworpen was voor een opgesteld vermogen van 500MW en in 1930 klaar was. Tot op hedenis de productie van elektriciteit steeds een gecentraliseerde activiteit geweest, hoofdzakelijk alsgevolg van de wezenlijke schaalvoordelen die thermische centrales (kolen, gas en kernenergie) totop vandaag hebben. Een belangrijk nadeel van die centralisatie zijn de verliezen in het netwerk.De huidige netwerktechnologie heeft een gemiddeld verlies van 10%, voornamelijk ten gevolge vantransport. Op Europese schaal betekent dit dat het equivalent van de hele elektriciteitsproductievan Groot-Brittannie op jaarbasis verloren gaat.

2.2.2 Evenwicht

Elektriciteit kent enorm veel toepassingen en het verbruik ervan is verre van constant. Hetverbruik is afhankelijk van het uur van de dag, de dag van de week, het seizoen en het weer,maar ook andere invloedsfactoren zijn mogelijk. Het elektriciteitsverbruik schommelt doorheende dag zoals te zien is op figuur 2.1. De figuur toont het totaal verbruik dat gemeten werd op hetBelgische net door transmissienetbeheerder Elia. In de lichtgekleurde lijn werd het dagverbruikvan donderdag 6 december 2012 uitgezet. Het verbruik piekt tijdens de middag en kent eendal tussen 2 en 4 uur ’s ochtends. Opvallend is ook het effect van het nachttarief tussen 21uen 23u, met een verhoogd verbruik tijdens deze uren. Op figuur 2.1 werd ook het dagverbruikvan zondag 2 december 2012 uitgezet in donkere lijn, om aan te tonen dat er ook tussen de


verschillende weekdagen verschillen zijn in verbruik. Het verbruik in het weekend ligt een heelstuk lager dan tijdens de week.

Tijdens de winter ligt het verbruik veel hoger dan tijdens de zomer. In figuur 2.2 werd hetverbruik van donderdag 6 december 2012 in lichtgekleurde lijn uitgezet ten opzichte van hetverbruik op donderdag 19 juli 2012, wat in donkere lijn werd uitgezet. Het verschil is niet enkelte wijten aan het hogere verbruik door de industrie, maar ook door bijkomende verwarming inde residentiele en commerciele sector. Bovendien heeft het verbruik tijdens de winter een anderprofiel, namelijk een veel grotere avondpiek. Dit komt voor wanneer bewoners thuis komen, hetlicht aansteken en de elektrische verwarming bijzetten. Het elektriciteitsverbruik is dus zondermeer variabel te noemen. Het is echter niet onvoorspelbaar, voorspellingen vormen de basis voorhet plannen van de productie.

Figuur 2.1: Verbruik donderdag 2012-12-06 (lichtgekleurd) t.o.v. zondag 2012-12-02 (donkergekleurd)

Figuur 2.2: Verbruik donderdag 2012-12-06 (lichtgekleurd) t.o.v. donderdag 2012-07-19 (donkerge-kleurd)

Elektriciteit kan op economisch verantwoorde wijze niet in grote hoeveelheden worden opgesla-gen. De productie moet dus continu gelijk zijn aan het verbruik. De leveranciers spelen eencentrale rol in het behouden van het evenwicht tussen de productie en het verbruik. Zij moetenimmers de nodige elektriciteit in het net injecteren om de totale afname van energie door al hunklanten te dekken. Aangezien de productie en het verbruik voortdurend varieren, is het even-wicht dat de leveranciers moeten nastreven nooit perfect en moet de transmissienetbeheerderautomatisch de kleine ogenblikkelijke onevenwichten afvlakken, vaak omschreven als de primaireregeling:

• Wanneer de productie groter is dan het verbruik, zal de frequentie hoger worden dan 50 Hzen moet de transmissienetbeheerder maatregelen nemen om de productie te verminderen


en het evenwicht te herstellen.

• Wanneer de productie te laag is ten opzichte van het verbruik, zal de frequentie lagerworden dan 50 Hz en moet de transmissienetbeheerder maatregelen nemen, hetzij omde productie op te voeren, hetzij om het verbruik te verlagen en aldus het evenwicht teherstellen.

Aangezien de transmissienetbeheerder zelf geen elektriciteit produceert, kan hij op basis vancontracten met de producenten vragen om hun elektriciteitsproductie aan te passen. De trans-missienetbeheerder kan ook contracten afsluiten met de grote industriele verbruikers die tegenbetaling bereid zijn om hun verbruik te verminderen.

Doorheen de dag regelt men de balans tussen de productie en het verbruik in de regelzone doorhet regelen van de productie-eenheden die het meest efficient te regelen zijn. Uit deze redeneringkan men drie types centrales benoemen:

• centrales in basislast: werken continu op vol vermogen, bijvoorbeeld kerncentrales of ko-lencentrales. Deze centrales zijn duur in installatie, maar vaak goedkoop in brandstof.

• modulerende centrales: werken bijvoorbeeld ’s nachts niet of op deellast, overdag op vollast,bijvoorbeeld SToom En Gas centrales (STEG).

• piekcentrales: werken uitsluitend om pieken in het verbruik op te vangen, makkelijkeraan/uit te schakelen. Ze zijn goedkoper in installatie, maar vaak duurder in brandstof.

2.2.3 Eisen

Aan het elektriciteitsnet worden eisen gesteld inzake de kwaliteit van de elektrische energie. Hetgaat voornamelijk om eisen rond frequentie, betrouwbaarheid en spanning:

• De frequentie van de wisselstroom mag slechts weinig varieren. De frequentie van hetEuropese net is afhankelijk van het evenwicht tussen productie en verbruik. Bij meerverbruik dan productie, daalt de frequentie. Bij meer productie dan verbruik dan stijgt defrequentie. Overal in het Europese net zijn regelsystemen op de turbines van een aantalproductie-eenheden voorzien om de frequentie automatisch en binnen de 30 seconden teregelen. Zo kan het net onmiddellijk het verlies van 3000 MW opvangen. Dat is zowat 1%van de gemiddelde belasting in het Europese net. Dit lijkt misschien weinig maar is tochvoldoende om enkele zeer ernstige incidenten op te vangen, bijvoorbeeld een gelijktijdigverlies van productie in Doel 1, 2, 3 en 4 samen.

• Elke onderbreking veroorzaakt een grote financiele kost en kan zelfs noodlottig zijn,wanneer kritische systemen uitvallen. De beschikbaarheid van het net hangt sterk afvan de beslissingen die transmissienetbeheerders, distributienetbeheerders en de overheidnemen en van de contracten tussen de beheerders en grote verbruikers. De beheerders vande netten zoeken een evenwicht tussen investeringen in hun net en de beschikbaarheidervan. Zoals uit figuur 2.3 blijkt, wordt dit vaak aangeduid met een percentage vanbeschikbaarheid. Voor industriele verbruikers wordt vaak gezocht naar het kostenoptimum:sterk investeren in het elektriciteitsnet kost geld, maar ook onbeschikbaarheden kostengeld. Voor residentieel verbruik valt op te merken dat de beschikbaarheid vaak veel hogerligt dan hetgeen uit het kostenoptimum zou volgen. Om bij incidenten toch een bepaaldeminimale beschikbaarheid na te streven en tevens te trachten het net stabiel te houdenwerd in Europa een vijfstappenplan opgesteld. Volgens dit stappenplan worden afhankelijkvan de ernst, die meetbaar is in het frequentieverschil, enkele maatregelen genomen zoalshet afschakelen van bepaalde verbruikers, hetgeen wordt bepaald in de contracten. Tabel2.4 geeft een overzicht.


• De spanning bij de verbruiker moet zo constant mogelijk zijn en rond een vaste, nominalewaarde liggen ondanks belastingsvariaties. Van zodra het verbruik op het net stijgt zaleen spanningsdaling optreden als gevolg van de toename van verliezen in alternatoren,transformatoren en leidingen. In wat volgt zullen deze oorzaken kort toegelicht worden.

Figuur 2.3: Voorbeeld van een kostenoptimum van een elektriciteitsnet

Tabel 2.4: Vijfstappenplan in het ENTSO-E net [4]

Frequentie Maatregel

49.8 Hz Activeren van de reserves in de centrales.49.0 Hz 10-15% van de belasting wordt van het net geschakeld.48.7 Hz Extra 10-15% van de belasting wordt van het net geschakeld.48.4 Hz Extra 15-20% van de belasting wordt van het net geschakeld.47.5 Hz Alle centrales werken in eilandbedrijf (netkoppeling verdwijnt).

2.2.4 Oorzaken van spanningsval

Spanningsval in het elekticiteitsnet is te wijten aan verliezen in de belangrijkste componentenvan het net [8], [9], [10], [11]:

• Spanningsval in de alternatoren: Omdat bij turboalternatoren de statorweerstand kanworden verwaarloosd, kan de beschrijving van de alternator beperkt worden tot figuur 2.4,het vereenvoudigd equivalent schema van de synchrone machine, verder als alternator om-schreven. De alternatoren zullen hun vermogen afgeven aan een net met vaste frequentie enspanning, een zogenaamd “star net”. Bijgevolg kan in het fasordiagramma van figuur 2.5de netspanning U als constant beschouwd worden. Uit de vier werkingsgebieden wordtslechts een beschouwd: de inductief-resistieve belasting, het meest voorkomende werkings-gebied van de alternatoren. Hierbij geeft de alternator actief en reactief vermogen af. Hetactief vermogen wordt alleen bepaald door de mechanische aandrijving, terwijl het reactiefvermogen enkel afhankelijk is van de bekrachtiging van de rotor. Zo valt af te leiden datde regeling op alternatoren in feite een vermogensregeling is waarbij op de actieve en re-actieve component ingespeeld kan worden. Het inspelen op deze vermogens, bijvoorbeeldhet verhogen van de bekrachtigingsstroom om meer reactief vermogen te kunnen leveren,kan onrechtstreeks leiden tot een spanningsverhoging. In voorgaand voorbeeld zal onrecht-streeks een lichte spanningsverhoging bekomen worden daar de machine zich gedraagt als


condensator en alzo het doorgaans inductieve net weet te compenseren. Gezien een goedbeheerd en gekoppeld net als oneindig sterk kan beschouwd worden, ligt de spannings-val in de alternatoren slechts in erg beperkte mate aan de oorzaak van eventuele grotespanningsval bij de eindverbruikers.

Figuur 2.4: Equivalent schema van de turboalternator [9]

Figuur 2.5: Fasordiagramma bij inductief-resistieve belasting [9]

• Spanningsval in de transformatoren: De nullaststroom van de transformator is zeer kleinten opzichte van de nominale stroom. Zo kunnen bij nominale belasting, de normale wer-kingstoestand van de transformatoren, de ijzer en jouleverliezen verwaarloosd worden enontstaat het equivalent schema van figuur 2.6. Hierbij kunnen we stellen dat de uitgaandestroom I2 gelijk is aan de ingaande stroom I1. Volgens de wet van Ohm is dan de secun-daire spanning U2 gelijk aan de primaire spanning U1 verminderd met de spanningsval overRk en Xk. Zo wordt duidelijk dat de secundaire spanning varieert in functie van de belas-ting Z. Deze benadering leidt tot figuur 2.7 waarin het gearceerde gebied de “driehoek vanKapp” voorstelt. Deze driehoek karakteriseert de interne spanningsvallen van de transfor-mator. Uit het voorgaande voelen we aan dat de secundaire spanning U2 wijzigt volgensde grootte van de stromen I1 en I2, maar ook naarmate de verschuivingshoek φ2 wijzigt.Een meer inductieve last zal een grotere spanningsval en dus meer spanningsdaling tot ge-volg hebben. Een capacitieve last kan leiden tot een lichte spanningsverhoging omdat dezede inductieve spanningsval over Xk zal compenseren. Deze beperkte spanningsvariatiesvormen deels de oorzaak van spanningsvariaties bij de eindverbruikers.

• Spanningsval in de leidingen: Een hogere belasting van het hoogspanningsnet zal au-tomatisch een spanningsdaling aan de hoogspanningsposten tot gevolg hebben. Dit kanbewezen worden aan de hand van het equivalent schema uit figuur 2.8. Dit schema is geldigvoor een korte hoogspanningslijn op 50 Hz tot ongeveer 50km. In dit schema worden enkelde weerstand en de inductantie in rekening gebracht, gezien de capaciteit van een kortehoogspanningslijn voor de bepaling van de spanningsval verwaarloosbaar is. Deze benade-ring is niet geldig voor kabels, noch geldig voor lange lijnen, omdat hier de capaciteit niet


Figuur 2.6: Equivalent schema van de transformatoren [9]

Figuur 2.7: Diagram van Kapp [9]

kan verwaarloosd worden. Uit het fasordiagramma van figuur 2.9 volgt vergelijking 2.1.

∆U ≈ RI cosφ2 +XI sinφ2 (2.1)

Ook valt op te merken dat het net in feite vermaasd is en de berekeningen dan niet te her-leiden vallen tot een eenvoudig equivalent schema. Het gebruik van dit equivalent schemais echter wel een voldoende voorwaarde om te besluiten dat de spanningsvariaties overhoogspanningsleidingen het gevolg zijn van zowel de aard als de grootte van de belasting.In het algemeen zullen ze van invloed zijn op de spanningsvariaties bij de eindverbruiker.Ook de spanningsval in laagspanningsleidingen, die voornamelijk resistief zijn, en de span-ningsval in de middenspanningsleidingen hebben een zeer sterke invloed op de spanningbij de eindverbruiker.

Figuur 2.8: Equivalent schema van een korte hoogspanningslijn. [10]

2.3 Spanningsregeling

2.3.1 Noodzaak

Spanningsregeling wordt in het huidige elektriciteitsnet voornamelijk toegepast met als doel despanning bij de eindverbruiker binnen bepaalde limieten te houden. De VREG [12] legt op dat


Figuur 2.9: Equivalent schema van een korte hoogspanningslijn.

de spanning bij de eindverbruiker tussen de 207 V en 243 V gelegen moet zijn en de maximalespanningsval op de laagspanningsleidingen 6% mag bedragen. Deze spanningsval is afhankelijkvan de belasting en kan niet weggeregeld worden doordat er bij de eindverbruiker geen span-ningsregeling geplaatst is. Ook de spanningsval in de middenspanningsleiding en de spanningsvalin de distributietransformator kunnen niet weggeregeld worden. De distributietransformatorenhebben nochtans tussenaftakkingen waarop men de windingsverhouding kan instellen, echter,deze instelling kan slechts gewijzigd worden wanneer de transformatoren vrijgeschakeld zijn, hetgaat om regelschakelaars voor het belastingsvrij regelen van de spanning van transformatoren(Engels: Off Circuit Tap Changers), verder OCTCs genaamd. Het is dus op heden niet gebruike-lijk de distributietransformatoren met een continu spanningsregeling te voorzien. Daarom is hetvan zeer groot belang de spanning op de middenspanningsnetten nagenoeg constant te houden.De huidige situatie wordt duidelijk gemaakt aan de hand van een voorbeeld in figuur 2.10.

Om spanningsregeling mogelijk te maken, wordt hiervoor gebruik gemaakt van regelschakelaarsvoor het onder belasting regelen van de spanning van vermogentransformatoren (Engels: On-Load Tap Changers), verder OLTCs genaamd. Op dit moment worden OLTCs voornamelijkgebruikt in vermogentransformatoren. De tolerantie voor de secundaire spanning van de ver-mogentransformator 70kV/10kV bedraagt 3% wat wil zeggen dat de OLTC over voldoendestappen dient te beschikken om een maximale afwijking van 1,5% boven en 1,5% onder de nomi-nale spanning te bekomen. De vermogentransformator 70kV/10kV bevat een inwendige regelaardie de spanning aan de secundaire kant van de vermogentransformator meet door middel vanspanningstransformatoren. De spanning aan de secundaire van de vermogentransformatorenH.S./M.S. kan dus gezien worden als nagenoeg constant, in ons geval 10kV. De spanning bij deeindverbruiker als afhankelijk van de belasting. De spanning op de hoogspanningsnetten, en dusde standen van de H.S./H.S. transformatoren, wordt gecontroleerd door de controlekamer, methet oog op een optimale regeling van de vermogens tussen de hoogspanningsposten.

Het stabiel houden van de secundaire spanning van de H.S./M.S. vermogentransformatorenvormt dus een manier om de spanning bij de eindverbruiker binnen bepaalde grenzen te houden.De OLTCs in H.S./H.S. transformatoren laten beperkte regeling van de vermogensstroom toe.Zo zal een transformator die een iets hogere spanning aan de secundaire heeft ten opzichte vanhet net, aan datzelfde net vermogen kunnen leveren.

2.3.2 Werkingsprincipe van OLTCs

Het werkingsprincipe van de OLTC berust op het wijzigen van de transformatieverhoudingvolgens vergelijking 2.2 [13].

N1

N2=U1

U2(2.2)


Figuur 2.10: Spanningsregeling in het huidige elektriciteitsnet

Dit geeft een wijziging van de spanning volgens vergelijking 2.3.

U2 = U1N2

N1(2.3)

Het verminderen van het aantal primaire windingen N1 of het vermeerderen van het aantalsecundaire windingen N2 heeft een verhoging van de secundaire spanning U2 tot gevolg. DeOLTC zal inspelen op een van deze twee mogelijkheden. Omwille van constructieve eisen zalveelal de wikkeling met de hoogste spanning geregeld worden, die voert immers de kleinstestroom. Concreet wil dit zeggen:

• Bij OLTCs van step-down transformatoren (transmissienetbeheerder) zal men primairewindingen bij- of afschakelen om de secundaire spanning te regelen.

• Bij OLTCs van step-up transformatoren (producenten) zal men secundaire windingen bij-of afschakelen om de secundaire spanning te regelen.

Op de transformator worden tussenaftakkingen gemaakt. De tussenaftakkingen worden vanaansluitdraden voorzien dewelke op de OLTC worden aangesloten. Tussen de aansluitdradenstaat een aanzienlijk hoge spanning (enkele kV) hetgeen wil zeggen dat de aansluitdraden en deaansluitingen op de OLTC een hoge isolatieweerstand moeten hebben. Gezien de relatief hogespanningen kiest men ervoor de isolatie van aansluitdraden en aansluitingen grotendeels toe tevertrouwen aan de olie in de kuip van de transformator. De OLTC wordt dan in de kuip vande vermogentransformator geplaatst. Er bestaan echter ook types die door middel van een flensbuiten de kuip geplaatst kunnen worden. OLTCs zelf kunnen vacuum of oliegevuld zijn. Devacuumtechniek is vrij recent en biedt enkele voordelen ten opzichte van de klassieke olievulling,zoals [14], [15], [16]:

• de transformatorolie blijft vrij van verontreinigingen; zo is er bijvoorbeeld geen contami-natie van de olie als gevolg van koolstof dat gevormd kan worden bij schakelen.

• de schakelelementen gaan langer mee.

• beter voor het milieu.

De werking van de vacuum OLTCs verschilt principieel niet drastisch van de werking van olie-gevulde OLTCs. Ze worden hier dus niet afzonderlijk besproken.

2.3.3 OLTCs in standaard vermogentransformatoren

De standaard vermogentransformatoren zijn de types die 150 kV of 70 kV transformeren naarmiddenspanning (10 kV, 15 kV, enz.) Deze types zijn doorgaans aan de primaire zijde in ster


geschakeld en aan de secundaire in driehoek. De wikkelingen zitten in dezelfde kuip en zijnover dezelfde kern gewikkeld. Vermits de primaire zijde in ster staat, zal het primaire principe-schema er uit zien als in figuur 2.11 waarbij de OLTC zich aan het sterpunt van de schakelingbevindt. Deze manier van schakelen wordt steeds toegepast opdat er op deze manier tussen deverschillende fasen, die doorgaans op een en dezelfde OLTC aangesloten worden, slechts relatiefkleine potentiaalverschillen zouden zijn. Deze manier van schakelen zorgt er dus ook voor dat deOLTCs relatief compact kunnen blijven. Dit in tegenstelling tot OLTCs voor driehoekschakeling,waarbij de drie fasen onderling geısoleerd moeten zijn tot de lijnspanning. De hoogst mogelijkefase-fase isolatiespanning bij OLTCs bedraagt heden ongeveer 140kV. Men zal in het geval vandriehoekgeschakelde OLTCs bijgevolg gebruik maken van aparte OLTCs of aftakkingen makenin het midden van de transformatorwindingen om de fase-fase isolatiespanning te verminderen.

Figuur 2.11: OLTCs in standaard vermogentransformatoren [16]

2.3.4 OLTCs in autotransformatoren

Transformatoren met primaire aansluiting op 400kV worden vaak enkelfasig uitgevoerd; drietransformatoren worden elk in aparte kuipen ondergebracht en worden in ster geschakeld. Bo-vendien zijn het transformatoren waarbij de secundaire spanning gerealiseerd wordt door eenaftakking direct op de primaire wikkeling. De voordelen van deze constructie zijn [16]:

• Er is minder koper nodig voor de constructie

• Kleinere bouw

• Goedkopere constructie

• Het rendement is hoger

• Er is minder lekflux

Deze voordelen zijn des te groter naarmate de transformatieverhouding k dichter bij 1 komt teliggen. De primaire wikkeling veroorzaakt een flux in de ijzerkern, een aftakking ergens op deprimaire wikkeling zal daardoor een spanning aannemen naar ratio van de positie op de primairewikkeling, zoals in figuur 2.12. Bij deze zogenaamde autotransformatoren of spaartransforma-toren is er dus geen sprake van galvanische scheiding. De hoogste spanning wordt aangelegd opde klem U1. Op klem U2 wordt de uitgaande spanning bekomen die beperkt regelbaar is doorde tussenaftakkingen.

2.3.5 OLTCs in dwarsregeltransformatoren

Heden worden er meer en meer dwarsregeltransformatoren gebruikt. De dwarsregeltransformatorwordt in het hoogspanningsnet toegepast om het transport van elektriciteit beter te sturen


Figuur 2.12: OLTCs in autotransformatoren [16]

en te verdelen, doorgaans tussen de landsgrenzen [17]. De dwarsregeltransformator verschuiftnamelijk de fasehoek tussen de in- en uitgaande spanning waardoor men de vermogensstroomzowel in grootte als in richting kan regelen. Het spanningsverschil tussen de in- en uitgang blijfthierbij gelijk. Er bestaan verscheidene types dwarsregeltransformatoren en dus ook verscheidenemogelijkheden voor de implementatie van OLTCs in de transformator. Een mogelijk principe isdit van figuur 2.13. Zoals hieruit af te leiden valt vormt de OLTC een essentiele component voordit type transformator, gezien het schakelen van de OLTCs de faseverschuiving verwezenlijkt.Bijgevolg zullen deze OLTCs licht verschillen van de types gebruikt voor spanningsstabilisatie:

• Ze zullen meer standen hebben om een nauwkeurige regeling van de vermogenstroom mo-gelijk te maken.

• Ze zullen veel vaker schakelen en dus robuuster moeten zijn.

Figuur 2.13: OLTCs in dwarsregeltransformatoren [16]


2.4 Types OLTCs

2.4.1 Algemeen

De OLTC is doorgaans een rond en vrij groot toestel. Het wordt aangedreven door een roterendeelektromotor die zijn koppel via staven aan de OLTC levert. De noodzakelijke schakelsnelheidvan de contacten in de OLTC wordt bekomen door het voorspannen van veren. Er bestaanverschillende varianten voor de schakelende werking van OLTCs. De voornaamsten worden hierbesproken, gebaseerd op informatie beschikbaar in catalogi en handleidingen: [18], [19], [19],[20], [15], [21], [22].

2.4.2 OLTC met afzonderlijke stroomomschakelaar en selectieschakelaar

De selectieschakelaar verwezenlijkt de standswijziging van de OLTC. De selectieschakelaar uitfiguur 2.14 is getekend in een stand waarbij er geen stroom vloeit door de extra primaire windin-gen van de vermogentransformator. De wikkelingsverhouding is nu zo dat secundair de hoogstmogelijke spanning bekomen wordt. Wil men echter een lagere secundaire spanning bekomendan zullen er bijkomende wikkelingen ingeschakeld moeten worden:

1. Het contact C1 voert stroom en dus zal de stroomomschakelaar eerst omschakelen naarstand H1 om C1 stroomloos te maken. Vermits van aftakking K naar aftakking 9 hetaantal wikkelingen gelijk blijft, is er bij deze omschakeling geen spanningswijziging.

2. Het contact C1 is nu stroomloos en zal zich nu verplaatsen tot het in positie 8 staat, dusonder contact C2.

3. De stroomomschakelaar zal zich verplaatsen naar stand H2, het contact C2 wordt stroom-loos en C1 gaat stroom voeren, er is nu een deelwikkeling ingeschakeld en de spanning isnu een stap gewijzigd.

De schakelcyclus voor de andere standen is gelijkaardig.

Figuur 2.14: Selectieschakelaar in een OLTC

De selectieschakelaar bestaat uit twee contacten die verbonden zijn met de stroomomschakelaar,dewelke toelaat dat de schakelingen van de selectieschakelaar stroomloos kunnen gebeuren. Aan-gezien de OLTC zeer hoge stromen dient om te schakelen (grootteorde 500A a 1kA) bij relatiefhoge spanningen (ordegrootte 4kV) kiest men er vaak voor het omschakelen van dit vermogen


te laten gebeuren door een enkele schakelaar, de stroomomschakelaar. Dit zorgt er immers voordat men de OLTC relatief compact en goedkoop kan houden. Tevens dient men erop te lettendat het omschakelen geen enkele onderbreking met zich meebrengt, een korte onderbreking zalimmers zorgen voor een zeer hoge zelfinductiespanning die de transformator en zijn omgevingzou kunnen beschadigen. Bovendien kunnen korte onderbrekingen zorgen voor het uitvallen vanapparaten bij clienten. De stroomomschakelaar uit figuur 2.15 is getekend in ruststand. Hethoofdcontact H1 voert op dit ogenblik de meeste stroom omdat het schakelcontact S1 een hogereweerstand heeft. Een schakelcyclus gaat als volgt:

1. Afschakelen van het hoofdcontact H1, de stroom vloeit nu uitsluitend door het schakel-contact S1.

2. Inschakelen van overgangscontact O1, de stroom vloeit nu hoofdzakelijk door het schakel-contact S1 en deels, via R1, door het overgangscontact O1.

3. Afschakelen van schakelcontact S1, de stroom vloeit nu uitsluitend via R1 door het over-gangscontact O1.

4. Inschakelen van overgangscontact O2, de wikkelingen tussen de contacten van de selectie-schakelaar zijn nu kortgesloten via weerstanden R1 en R2 omdat overgangscontacten O1

en O2 gesloten zijn.

5. Afschakelen van overgangscontact O1, de stroom vloeit nu uitsluitend via R2 door hetovergangscontact O2.

6. Inschakelen van schakelcontact S2, de stroom vloeit nu hoofdzakelijk door het schakelcon-tact S2 en deels, via R2, door het overgangscontact O2.

7. Afschakelen van overgangscontact O2, de stroom vloeit nu uitsluitend door het schakel-contact S2.

8. Inschakelen van het hoofdcontact H2, de stroom vloeit nu hoofdzakelijk door het hoofd-contact H2 en deels door het schakelcontact S2.

De schakelcyclus in omgekeerde richting is gelijkaardig. Opdat de stroomomschakelaar in staatzou zijn hoge vermogens te schakelen bij toch compacte afmetingen, dient het schakelen bijzondersnel te gebeuren. Ook de periode waarin een deel van de wikkeling kortgesloten is (positie 4)dient zeer kort te zijn om destructie van kortsluitweerstanden R1 en R2 te vermijden.

Figuur 2.15: Stroomomschakelaar in een OLTC

Een voorselectieschakelaar heeft tot doel het aantal standen van de selectieschakelaar uit tebreiden, zelfs bijna te verdubbelen. Zo kan een OLTC met 18 standen bij uitbreiding met


voorselectieschakelaar 35 standen bekomen. De voorselectieschakelaar kan op twee manierenfunctioneren:

• als omkeerschakelaar.

• als grof selectieschakelaar.

De voorselectieschakelaar wordt steeds samengebouwd met de gehele OLTC en het werkings-principe kan op vele types OLTC gekozen worden door de klant. De omkeerschakelaar zal derichting van de stroom door de bijkomende wikkelingen kunnen omkeren. Wanneer de stroomde bijkomende wikkelingen in negatieve zin doorloopt, is het alsof er minder windingen aan-gesloten worden, figuur 2.16. De grof selectieschakelaar werkt met een bijkomende wikkeling,figuur 2.17. Deze wikkeling wordt ingeschakeld nadat het maximale aantal wikkelingen van deselectieschakelaar bereikt is. Men spreekt bijgevolg ook van een grove en een fijne selectie, doorrespectievelijk de grof selectieschakelaar en de selectieschakelaar.

Figuur 2.16: Omkeerschakelaar in een OLTC

Figuur 2.17: Grof selectieschakelaar in een OLTC


2.4.3 OLTC met gecombineerde stroomomschakelaar - selectieschakelaar

De OLTC met gecombineerde stroomomschakelaar - selectieschakelaar is een heel stuk compac-ter dan de OLTC met separate stroomomschakelaar en separate selectieschakelaar. Daar staattegenover dat dit type OLTC uitsluitend voor beperkte stromen (200 a 400 A) toegepast kanworden. De OLTC wordt ook hier aangedreven door een roterende elektromotor die zijn koppelvia staven aan de OLTC levert. De schakelsnelheid van de contacten in de OLTC wordt eveneensbekomen door het voorspannen van veren. Ook bij dit type OLTC kan men een aparte voorselec-tieschakelaar toepassen, dit zowel als omkeerschakelaar als grof selectieschakelaar. Deze OLTCmet gecombineerde selectieschakelaar - stroomomschakelaar combineert de eigenschappen vande eerder vernoemde selectieschakelaar met die van de eerder vernoemde stroomomschakelaar.De gecombineerde stroomomschakelaar - selectieschakelaar doet het eigenlijke omschakelwerkvoor de OLTC. Hij bestaat uit drie contacten, waarvan er een direct en twee via weerstandenmet de uitgang U van de OLTC verbonden zijn. De schakelaar uit figuur 2.18 is getekend instroomvoerende toestand. Contact C voert op dit ogenblik de stroom. Een schakelcyclus gaatals volgt:

1. Het binnenste geheel van de OLTC draait zich in tegenwijzerzin, de stroom vloeit nuhoofdzakelijk door het contact C en deels, via R1, door het overgangscontact O1.

2. Het geheel draait zich verder tegenwijzerzin, contact C wordt onderbroken en de stroomvloeit nu uitsluitend via R1 door het overgangscontact O1.

3. Het geheel draait zich verder in tegenwijzerzin, de wikkelingen tussen de contacten van deselectieschakelaar zijn nu kortgesloten via weerstandenR1 enR2 omdat overgangscontactenO1 en O2 gesloten zijn.

4. Het geheel draait zich verder in tegenwijzerzin, overgangscontact O1 wordt onderbrokenen de stroom vloeit nu uitsluitend via R2 door het overgangscontact O2

5. Het geheel draait zich verder in tegenwijzerzin, contact C maakt terug contact en de stroomvloeit nu hoofdzakelijk door het contact C en deels, via R1, door het overgangscontact O1.

6. Het geheel draait zich verder in tegenwijzerzin, overgangscontact O1 wordt onderbrokenen de stroom vloeit nu uitsluitend door contact C. De OLTC is nu 1 stand gewijzigd.

De schakelcyclus in omgekeerde richting is gelijkaardig. Opdat de stroomomschakelaar in staatzou zijn hoge vermogens te schakelen bij toch compacte afmetingen, dient het schakelen bij-zonder snel te gebeuren. Ook de periode waarin de weerstanden R1 en R2 stroom voeren (o.a.kortsluiting van een deelwikkeling) dient zeer kort te zijn om destructie van kortsluitweerstandenR1 en R2 te vermijden.

2.5 Besluit

Dit hoofdstuk gaf een algemene situering van het huidige elektriciteitsnet, welke nuttig zal blijkenom het onderscheid te maken tussen het huidige model en het toekomstig model, waarvan deonderliggende principes in het volgende hoofdstuk zullen beschreven worden. Om economischeoverwegingen is het immers belangrijk de bestaande infrastructuur en methodes waar mogelijkte behouden, en slechts aanpassingen in te bouwen waar het noodzakelijk blijkt, en dit op eenzo efficient mogelijke wijze.

In de transmissienetten wordt heden vaak gebruik gemaakt van regelschakelaars voor het onderbelasting regelen van de spanning. In distributienetten is hun gebruik heden zeer zeldzaam, enworden uitsluitend regelschakelaars gebruikt die slechts belastingsvrij kunnen schakelen. De in


Figuur 2.18: OLTC met gecombineerde stroomomschakelaar - selectieschakelaar

dit hoofdstuk opgebouwde kennis rond het functioneren van de regelschakelaars in transmissie-netten zal in latere hoofdstukken aangewend worden om regelschakelaars te bouwen voor hetonder belasting regelen van de spanning in distributienetten.

Hoofdstuk 3

Intelligente elektriciteitsnetten

3.1 Kader

3.1.1 Definitie

Het begrip ‘smart grid’, dat letterlijk vertaald ‘intelligent netwerk’ betekent, duidt in werke-lijkheid op een algemeen concept in tegenstelling tot een specifieke technologie op zich. Hetzijn dus niet de ondersteunende technologieen die het smart grid voorstellen, maar een juistecombinatie daarvan, samen met een ondersteunende regelgeving en de actieve deelname van alleverbruikers. Smart grids zijn het onderwerp van een groot en actueel debat. De voornaamsteoorzaak van dit debat is de fundamentele wijziging die smart grids zullen teweegbrengen inde manier waarop onze maatschappij omgaat met elektrische energie, zowel aan de productie-als de verbruikerszijde. Bijkomend zijn de benodigde investeringen aanzienlijk en is een nauwegrensoverschrijdende samenwerking noodzakelijk om een dergelijk systeem te laten functioneren.Het is moeilijk om een algemene definitie te vinden voor de term ‘smart grid’.

Door de Europese Commissie werd echter volgende definitie voorgesteld: ‘Een smart grid iseen elektriciteitsnetwerk dat op kostenefficiente wijze het gedrag en de acties van alle gebruikers(producenten, consumenten of beiden) op het net kan integreren en dit op dergelijke wijze dat heteconomisch rendabel, ecologisch duurzaam (weinig verlies), veilig en in grote mate betrouwbaaris.’ [23]

Uit deze definitie kan afgeleid worden dat een smart grid duidt op een elektriciteitsnetwerkdat een dynamische interactie toelaat tussen alle actoren, van uiteenlopende aard en grootte.Concreet betekent dit dat energie kan worden geınjecteerd, die afkomstig is van zowel groteproductie-eenheden als kleine lokale DG-eenheden, zoals zonnepanelen, en dit varierend in detijd. Daarnaast moet het systeem toelaten dat verbruikers en producenten dynamisch van rolkunnen veranderen. Deze manier om de actoren van het elektriciteitsnet te beschouwen is op zicheen fundamentele wijziging ten opzichte van de manier waarop het bestaande net functioneert.Het huidige systeem werkt volgens een gecentraliseerd model dat wordt gevoed door een beperktaantal grote elektriciteitscentrales die op massieve schaal energie opwekken en verdelen naar eengroot aantal kleinere consumenten.

Het tweede wat kan worden afgeleid is dat deze fundamentele verandering van het net zodanigdient te gebeuren dat een aantal belangrijke zaken worden verwezenlijkt zoals een efficientertransport van energie, een economisch rendabel systeem, de integratie van meer hernieuwbareenergiebronnen, een hogere betrouwbaarheid, enz.

22

Hoofdstuk 3. Intelligente elektriciteitsnetten 23

3.1.2 Samenstelling

Het smart grid zal bestaan uit diverse soorten centrale productie-eenheden, varierend van klas-sieke thermische productie tot onshore en offshore windparken, maar ook grootschalige hydro-elektriciteitscentrales en thermische zonnesystemen. Het smart grid zal bestaan uit centraleen decentrale eenheden. Bij centrale productie-eenheden zal elektriciteit op een plaats wordenopgewekt om daarna over grote afstand naar de verbruiker getransporteerd te worden. Bij de-centrale eenheden zal elektriciteit worden opgewekt om in de eerste plaats de lokale nood tedekken. [7]

Het smart grid zal ook bestaan uit een aantal gedecentraliseerde eilanden of microgrids [24]. Dezemicrogrids beschikken over voldoende lokale productie en opslag, alsook een flexibele vraag naarelektriciteit om zichzelf te voorzien van energie, zoals een klein afgesloten eiland. Energieopslag,maar ook het meer flexibel maken van het net, met het oog op het implementeren van meervariabele productie, kan een rol spelen in de ontwikkeling van smart grids [25]. Dit laat immerstoe om het overschot of tekort aan energie in een systeem snel te compenseren met minimaalverlies.

Praktisch gezien verschilt een smart grid voornamelijk van het huidige elektriciteitsnet door detoevoeging van een geavanceerd tweeweg communicatienetwerk bovenop het fysieke elektrici-teitsnet. Alle deelnemers op het fysieke elektriciteitsnet moeten hierdoor ook deelnemen in eencommunicatieproces. Een gebruiker van het smart grid zal dus energie uitwisselen en daarbijaangeven wat hij precies doet, waarom hij dat doet en wat hij verder in de tijd zal doen. Indiendergelijke informatie door alle gebruikers ter beschikking wordt gesteld, is het systeem in staatop intelligente wijze prioriteiten te stellen en in te grijpen bij onbalans tussen vraag en aanbod.De opbouw van een smart grid is gelijkaardig aan deze van het internet. Het hele netwerk be-staat uit een verzameling kleine netwerken die met elkaar verbonden zijn en zowel energie alsinformatie uitwisselen. Door de aanwezigheid van informatie over de actuele toestand van hetnet kunnen energiestromen dynamisch worden aangepast en continu evolueren naar optimaleomstandigheden.

3.1.3 Drijfveren

Globaal kunnen drie drijfveren voor de ontwikkeling van smartgrids worden benoemd:

• Interne marktwerking: omstreeks 2001 is Europa van start gegaan met de vrijmakingvan energiemarkten [1]. De vrijmaking en koppeling van Europese energiemarkten heeftbelangrijke gevolgen voor de Europese energieleveranciers en heeft geleid tot een herde-finiering van hun activiteiten. De eindklant is veel belangrijker geworden, energiebeurzenspelen nu een centrale rol en efficientie en innovatie zijn tegenwoordig sleutelwoorden om opde Europese energiemarkt zijn bestaan te garanderen. Smart grids zullen een belangrijkerol spelen in de verdere vrijmaking van de markten. Klanten worden verder geıntegreerddan ooit tevoren, kleine energieleveranciers zullen in hogere mate competitief worden,nieuwe spelers kunnen makkelijker het systeem betreden, enz.

• Milieu en klimaat: in het Kyoto verdrag heeft de Europese unie het engagement opgenomenom in 2008-2012 de uitstoot van broeikasgassen met 8% te verminderen ten opzichte vanhet niveau in 1990 [26]. De Europese unie heeft ook een langetermijnstrategie uitgewerkt,de 20/20/20-doelstellingen [27]. Daarbij moet tegen 2020 de uitstoot van broeikasgassenmet 20% worden verminderd ten opzichte van 1990, de energie-efficientie moet met 20%zijn verhoogd en 20% van de energie moet op duurzame wijze worden opgewekt. Als gevolgvan deze langetermijndoelstellingen valt heden een massale ontwikkeling van hernieuwbareenergie op te merken, die grotendeels gestimuleerd wordt door omvangrijke subsidies en


ondersteuningsmechanismen om de CO2 uitstoot in Europa te laten dalen. De imple-mentatie van hernieuwbare energie op grote schaal, zoals windmolens en zonnepanelen,brengt echter ook moeilijkheden met zich mee. Productie en consumptie van elektriciteitop ieder ogenblik op elkaar afstemmen wordt moeilijker als gevolg van het discontinue enmoeilijk te voorspellen gedrag van hernieuwbare bronnen. Zo kan een windmolenpark opieder ogenblik omschakelen van nullast naar vol vermogen als gevolg van veranderendeweersomstandigheden. Om dergelijke schommelingen op te vangen, dient het systeem bij-komende bronnen of belastingen, in tegengestelde richting, te schakelen. Ter illustratiewerd in figuur 3.1 de dagproductie aan windenergie in het PJM net (deel van de V.S.) van26 augustus 2009 uitgezet ten opzichte van de belasting in datzelfde net op dezelfde dag.Op deze grafiek is duidelijk te zien dat de productie uit windenergie zeer onvoorspelbaaris en niet steeds de trend van het verbruik volgt.

• Bevoorradingszekerheid van de energievoorziening: het belang van energie in het realise-ren van economische ontwikkeling is al lang bekend en zal naar de toekomst toe nog meertoenemen. Er valt een groei te verwachten van het elektriciteitsverbuik als gevolg van deopkomst van elektrische wagens, warmtepompen e.d., maar ook omdat de voorraden vanfossiele brandstoffen eindig zijn, hetgeen zijn weerslag kan hebben op de prijzen van der-gelijke brandstoffen. Daardoor zal de rol van elektriciteit als energiedrager in de toekomstvergroten. Logischerwijze wordt de bevoorradingszekerheid van elektriciteit dan uiterstbelangrijk. Een belangrijk doel van de smart grids bestaat er dan ook in deze zekerheidte verhogen.

Figuur 3.1: Schommelingen in de productie t.o.v. belasting - PJM [28]

3.2 Werking

3.2.1 Decentrale productie

De laatste jaren zijn verschillende alternatieve technologieen van elektrische energieproductievoldoende matuur geworden om ook in kleine capaciteiten economisch rendabel te zijn. Voor-beelden hiervan zijn residentiele zonnepanelen, kleine biomassa-installaties of warmtekracht-koppelingsystemen (WKK). Door de vele subsidiemechanismen, de hoge energieprijzen en destijgende vraag naar groene energie wordt het noodzakelijk om deze kleine installaties in grotehoeveelheden efficient in het netwerk te integreren. In tegenstelling tot grote installaties kun-nen dergelijke kleinere productie-eenheden dichter bij de finale verbruikers worden geınstalleerd,om bijgevolg de energetische verliezen en hoge kosten van energietransport (hoogspanning) te


vermijden. Naast het vermijden van elektriciteitstransport op hoge spanning, biedt de dichtereintegratie tussen producent en verbruiker ook de mogelijkheid om restwarmte uit te wisselentussen industriele en residentiele spelers en dit in beide richtingen. De uitwisseling van elektri-citeit in combinatie met warmte zorgt algemeen voor een belangrijke verhoging van de globaleefficientie. Een voorbeeld van de integratie van verschillende soorten alternatieve technologieenvan elektrische energieproductie in het intelligente net wordt gegeven in figuur 3.2.

Figuur 3.2: Verschillende soorten decentrale productie eenheden in het intelligente netwerk.

Decentrale productie betekent het gebruik van verschillende kleinere productie-eenheden diedichter bij de eindconsument gelegen zijn. De werking van een dergelijk systeem is volledigverschillend van het centrale productiemodel en dient ondersteund te worden door middel vanandere technologie. Smart grids zullen deze verscheidenheid aan productiemiddelen op efficientewijze trachten te integreren, door een groot aantal afzonderlijke microgrids met elkaar te ver-binden op een macrogrid, dat een soort ruggengraatstructuur vormt.

Een microgrid, schematisch weergegeven in figuur 3.3, wordt gevormd door een lokale groep vanverbruikers en producenten zowel elektriciteit als warmte te laten uitwisselen. Lokale productiedient voldoende goed afgestemd te zijn op het lokale verbruik, zodat het geheel zichzelf kanvoorzien van energie. Kenmerkend voor een microgrid is dat deze slechts via een punt gekoppeldis aan het macro grid zodat het zichzelf kan loskoppelen en vervolgens in zelfstandige eiland-modus kan functioneren. Het gehele microgrid doet zich voor het netwerk voor als een enkelecontroleerbare eenheid. In geval van problemen op het netwerk kunnen verschillende microgridszichzelf loskoppelen en isoleren van het probleem, zonder daarbij meer onbalans te creeren ophet netwerk. Het gebruik van microgrids vermijdt tevens transportverliezen door zijn lokalekarakter.

3.2.2 Evenwicht

In een microgrid wisselen producenten en verbruikers energie met elkaar uit volgens een peer-to-peer principe [29]. De hoeveelheid geproduceerde energie wordt verdeeld over de verschillendeverbruikers die aanwezig zijn, al dan niet met een vorm van prioriteiten. Indien, wanneer hetmicrogrid in eilandbedrijf werkt, er onvoldoende elektriciteit aanwezig is, zal een aantal ver-bruikers niet kunnen verbruiken en omgekeerd zal een aantal verbruikers worden aangeschakeldindien er een overschot aan energie aanwezig is. Het microgrid functioneert volledig zonder cen-trale controle, zodat op ieder ogenblik actoren zichzelf kunnen toevoegen of verwijderen, volgenseen plug-and-play filosofie. Dit betekent ook dat het microgrid steeds kan blijven functione-


Figuur 3.3: Integratie van microgrids in het elektriciteitsnet [28]

ren, ook al hebben bepaalde actoren problemen. Wanneer het microgrid gekoppeld is kan hetdistributienet de verschillen tussen vraag en aanbod wegwerken.

Het benutten van de flexibiliteit in de vraag laat toe om de vraag tijdens piekuren te vermin-deren zonder in te boeten aan comfort en wordt vaak omschreven met het begrip ‘demand sidemanagement’. Zo kan bijvoorbeeld het verbruik van een wasmachine makkelijker verschovenworden in de tijd dan het verbruik van een televiesietoestel. Ook de thermische capaciteit vaneen ruimte kan gebruikt worden als energiebuffer. Het doel van demand side management be-staat erin de flexibiliteit van bepaalde gebruikers te identificeren, op grote schaal te aggregerenen deze zodanig te gebruiken dat pieken worden afgevlakt en dalen worden opgevuld. Hier-door zal de resulterende vraag vlakker worden en bijgevolg makkelijker te voorzien. Ook kande vraag makkelijker worden aangepast aan minder voorspelbare productie, van bijvoorbeeldzonnepanelen of windenergie.

Een bijkomende toepassing van demand side management is de mogelijkheid om selectief be-paalde verbruikers aan of uit te schakelen in functie van de situatie op het net en zodoende destabiliteit van het net te garanderen. Deze schakelbare belastingen kunnen dan gebruikt wordenals bijkomende reserves voor netwerkoperatoren om de netstabiliteit te garanderen tegen eenlagere kost dan piekcentrales.

3.2.3 Eisen

De implementatie van microgrids in het elektriciteitsnetwerk is onderworpen aan enkele bijzon-dere eisen:

• Fysisch gezien kan vermogen zich in beide richtingen over een geleider verplaatsen, zodathet zowel van hoogspanningsnetten naar laagspanningsnetten als omgekeerd kan bewegen.Om historische redenen (centrale productie) werd elektrisch vermogen steeds getranspor-teerd van hoogspanningsnetten naar laagspanningsnetten. Met andere woorden, grotecentrales produceren elektriciteit die geınjecteerd wordt op het transmissienet en vervoerdwordt naar de verschillende distributienetwerken. Door het verhoogde aantal gedecen-traliseerde productie-eenheden ontstaan echter ook vermogensstromen van laagspanningnaar hoogspanning. Deze inverse vermogensstromen vereisen echter een heel ander typeveiligheidsuitrusting en vormen dus een gevaar in het huidige systeem. Hiermee dientbij implementatie van microgrids rekening gehouden te worden en aldus dient een nieuwebeveiligingsstrategie bedacht te worden.

• Kleine en middelgrote productie-eenheden maken vaak gebruik van DC-AC omvormers,bijvoorbeeld bij de productie van elektriciteit uit photovoltaısche panelen. Zulke omvor-mers maken gebruik van digitale sinusmodulatoren, die hogere harmonischen introduceren


in het AC-signaal. Harmonischen zijn hoogfrequente componenten die zorgen voor ver-hoogde verliezen in het netwerk. Microgrids zullen dus in staat moeten zijn om te gaanmet harmonische stromen.

• De spanning en frequentie van een elektrisch systeem zijn bijzonder belangrijk en dienenzeer stabiel te blijven. Grote hoeveelheden lokale productie binnen een distributienetzorgen er echter voor dat de traditionele regelsystemen voor spanningsstabilisatie nietmeer effectief werken, met een lokale verhoging van de spanning tot gevolg. Er dient dusvoor microgrids een nieuwe spanningsregeling bedacht te worden.

3.3 Spanningsregeling

3.3.1 Noodzaak

Het integreren van grote hoeveelheden hernieuwbare energie in het microgrid vereist de mogelijk-heid om de vermogensuitwisseling tussen microgrid en het distributienet te kunnen regelen. Ditkan via communicatie van het distributienet naar alle gedecentraliseerde productie-eenhedenen verbruikers in het microgrid. Dit vereist echter een zeer grote extra investering in bijko-mende communicatienetwerken. In deze thesis wordt een andere mogelijkheid voorgesteld. Dezebestaat erin het distributienet te laten communiceren met het gemeenschappelijk aansluitings-punt of ‘point of common coupling’, ook wel ‘PCC’ van het microgrid. De gedecentraliseerdeproductie-eenheden passen hierin hun uitgangsspanning automatisch aan. Uitendelijk moet eenvermogensregeling vanuit het distributienet mogelijk worden gemaakt. De traditionele maniervan vermogensregeling in de elektrische energienetten berust op P/f droop regelaars: wanneerhet aanbod aan elektrisch vermogen groter is dan de vraag, zullen de generatoren versnellen,hetgeen de frequentie op het net lichtjes doet stijgen. De P/f regelaars reageren hierop door hetverlagen van het ter beschikking gestelde vermogen. Wanneer het aanbod aan elektrisch ver-mogen lager is dan de vraag, zullen de generatoren vertragen hetgeen de frequentie op het netlichtjes doet dalen. De P/f regelaars reageren hierop door het verhogen van het ter beschikkinggestelde vermogen. Het valt op te merken dat door de aanwezige inertie dit proces een redelijkgrote traagheid heeft, hetgeen de stabiliteit ten goede komt. Voor de regeling van vermogen ineen microgrid gelden enkele belangrijke verschillen met de klassieke aanpak:

• omdat de meeste eenheden in microgrids aan het net gekoppeld zijn door middel vanvermogenelektronische convertoren, zal er in het microgrid weinig mechanische inertie zijn.In het reguliere net zorgt deze inertie, ook wel ‘draaiende reserve’, voor een relatief stabielverband tussen het actief vermogen en de frequentie, weergegeven in vergelijking 3.1 [30],[31], [32].

Pm − Pe =d(1

2Jω2)

dt(3.1)

Waarin Pm het toegevoerd mechanisch vermogen aan de generatoren, Pe het afgegevenelektrisch vermogen, J de inertie van het systeem en ω de elektrische hoekfrequentie voor-stellen.

• laagspanningsnetten zoals het microgrid zijn voornamelijk resistief van karakter, waardoorhet actief vermogen door de lijnen daar voornamelijk afhankelijk is van de spanning volgensvergelijking 3.2.

P ≈ ViRl

(Vi − Vu) (3.2)

Vi stelt hier de spanning aan de ingangszijde van de lijn voor, Vu is de spanning aande uitgangszijde van de lijn en Rl is de weerstand van de lijn. Dit is niet vergelijkbaar


met het transmissienet, waar de vermogensoverdracht voornamelijk een functie is van hetfaseverschil over de transmissielijn, gegeven door vergelijking 3.3.

P ≈ ViVuXl

sin δ (3.3)

Vi stelt hier de spanning aan de ingangszijde van de lijn voor, Vu is de spanning aan deuitgangszijde van de lijn, Xl de reactantie van de lijn en δ het faseverschil tussen ingangen uitgang.

Omwille van voorgaande redenen werd in [28] een ander soort droopregeling voorgesteld, despanningsgebaseerde droop regeling (Engels: Voltage Based Droop, VBD). Hier is het actiefvermogen een functie van de spanning. In deze spanningsgebaseerde regeling wordt het wijzigenvan het gegenereerde vermogen uitgesteld tot een bepaalde spanningswaarde is bereikt. Dit leidttot een geoptimaliseerde integratie van hernieuwbare energiebronnen, omdat het hen mogelijkmaakt deel te nemen in het delen van de last. Ook maakt deze spanningsgebaseerde regeling hetmogelijk dat slimme belastingen en opslagelementen hun verbruik aanpassen in overeenstemmingmet de spanningsniveaus.

Het algemene werkingsprincipe van de spanningsgebaseerde droopregeling voor de grondharmo-nische wordt verduidelijkt aan de hand van figuur 3.4. De Pdc/Vg regelaar wijzigt Pdc, het terbeschikking gestelde vermogen, in overeenstemming met de spanning op het net, hier voorge-steld door Vg. De regelaar treedt slechts in werking wanneer Vg een bepaalde bovenste drempel-waarde ((1 + b)Vg,nom) of onderste drempelwaarde ((1 − b)Vg,nom) overschrijdt. Wanneer dezedrempelwaarden niet worden overschreden blijft Pdc ongewijzigd, het vermogen is dan constant.Wanneer de drempelwaarden wel overschreden worden, komt de droopregeling in actie volgensvergelijkingen 3.4.

Pdc,nom −KP (Vg − (1 + b)Vg,nom)alsVg > (1 + b)Vg,nomPdc,nom −KP (Vg − (1− b)Vg,nom)alsVg < (1− b)Vg,nom (3.4)

Figuur 3.4: Pdc/Vg regelaar [28]

3.3.2 Werkingsprincipe intelligente transformator

De vermogensuitwisseling tussen microgrid en het distributienet wordt geregeld door een trans-formator met variabele windingsverhouding en een regeleenheid. Deze transformator wordt ver-der omschreven als ‘intelligente transformator’ (Engels: ‘smart transformer’). De belangrijkstefuncties van de intelligente transformator zijn:

• controleren van de bidirectionele vermogensuitwisseling tussen distributienet en microgrid.

• verzamelen van informatie voor het bepalen van het optimale setpunt voor vermogensuit-wisseling.


• het mogelijk maken het microgrid uit te baten als een controleerbare eenheid.

De werking van de intelligente transformator wordt verklaard aan de hand van figuur 3.5. Hieris links de traditionele werkwijze geschetst. Daarbij communiceert een centrale regelaar metalle DG-eenheden in het microgrid. Rechts in figuur 3.5 wordt de aanpak bij gebruik van deintelligente transformator weergegeven. Om de vermogensuitwisseling tussen het distributieneten het microgrid te regelen, wijzigt de intelligente transformator de spanning aan de microgrid-zijde. Hierdoor is de spanningsgebaseerde regeling van de productie-eenheden en de verbruikersgekoppeld met een spanningsgebaseerde regeling van de intelligente transformator. Hierdoorkan het microgrid zich automatisch en zonder nood aan bijkomende communicatie aanpassenaan wijzigingen aan het vermogen door de intelligente transformator en omgekeerd. Ook laat deintelligente transformator toe dezelfde regelstrategieen te gebruiken voor de decentrale productie-eenheden en de verbruikers, en dit zowel in de eilandmodus als in netgekoppelde modus.

Figuur 3.5: Intelligente transformator vs. centrale controle bij de communicatie in een microgrid [28]


3.4 Types intelligente transformator

3.4.1 Continue transformator

De meest eenvoudige mogelijkheid om de zin van het vermogen te regelen is het gebruik van eenvariabele spaartransformator. Een variabele spanning wordt bekomen door middel van een armmet koolstofborstel die geroteerd kan worden over een met zilver belegde commutator over detransformatoromtrek. Het geheel wordt driefasig uitgevoerd door de commutatorarmen van dedrie enkelfasige spaartransformatoren op een gemeenschappelijke as te monteren en de transfor-matoren axiaal achter elkaar te plaatsen, of door middel van riem- of tandwieloverbrengingen.Omdat de spanning bij dit type transformator traploos kan geregeld worden, wordt dit type inwat volgt omschreven als ‘continue transformator’.

Voor de aandrijving van de borstels kan gebruik gemaakt worden van diverse soorten elektromo-toren: een enkelfasige AC synchrone motor, een DC motor, of zelfs een stappenmotor. De eerstetwee motoren worden aangedreven door een eenvoudig op of neer commando, de stappenmotorvereist dan weer een eigen specifieke aansturing. De motor wordt vervolgens gekoppeld met deas waarop de borstels gemonteerd zijn door middel van een tandwielkast met snelheidsreductie.

Bijzonder voor het gebruik van een variabele spaartransformator bij de constructie van een in-telligente transformator is dat de vaste aansluiting op de wikkelingen niet aan het einde van detransformator kan gemaakt worden. Er moet immers voor gezorgd worden dat de uitgangsspan-ning aan beide zijden zowel positief als negatief kan bijgeregeld worden. Dit impliceert hetgebruik van een aantal extra windingen op de spaartransformator, zoals in figuur 3.6.

0-280VAC

230VAC

Figuur 3.6: Variabele transformator op het volledige regelbereik

Zoals ook te zien is in figuur 3.6, biedt deze configuratie de mogelijkheid de spanning te regelenover een zeer groot regelbereik, in theorie het volledige regelbereik van de regelbare transforma-tor. In praktijk liggen hierop echter beperkingen:

• het is niet mogelijk de spanning zeer sterk op te voeren vanuit de zijde met borstels richtingde zijde met vaste aansluiting. Dit zou in de zijde met borstels immers een veel te hogestroom genereren, om eenzelfde vermogen over te brengen is hier immers veel meer stroomnodig.

• het is niet mogelijk de spanning sterk op te voeren vanuit de zijde met vaste aansluitingrichting de zijde met borstels. Op de types die in de handel verkrijgbaar zijn is immersslechts een beperkt aantal bijkomende windingen mogelijk boven de nominale spanning,bijvoorbeeld om een regelbereik van 0-110% te bekomen.

• ook voor spanningsverlaging komen beide genoemde beperkingen voor, zij het op de te-genoverliggende zijde.

Deze beperkingen doen geen afbraak aan de mogelijkheid van het gebruik van de variabelespaartransformator in de intelligente transformator. Het volstaat immers een beperkt span-


ningsverschil te verwezenlijken om de zin van het vermogen te wijzigen. In praktijk zullen wegenoegen nemen met een regelbereik van 10% boven en 10% onder de nominale spanning.

De nauwkeurigheid van dergelijke spaartransformatoren is beperkt. Vaak zijn de spaartransfor-matoren van het type ringkerntransformator en zijn ze met ongeveer 250 windingen bewikkeld.De borstels roteren over een niet geısoleerd deel, wat maakt dat de transformator in stapjes vanongeveer 1V te regelen is.

De nauwkeurigheid van dit systeem kan worden vergroot door het gebruik van een bijkomendescheidingstransformator om de spanning te verhogen of te verlagen zoals in figuur 3.7. De varia-bele spaartransformator wordt gebruikt om een regelbare spanning aan de primaire zijde van descheidingstransformator te voorzien. Een mogelijkheid is dan de variabele spaartransformatorte voorzien van een middelpuntsaftakking en de primaire van de scheidingstransformator aan tesluiten tussen dit middelpunt en de borstel van de variabele spaartransformator. Een anderemogelijkheid is het gebruik van een dubbelpolige wisselschakelaar tussen beide transformatoren.Deze wisselschakelaar kan dan bepalen of de scheidingstransformator voor een spanningsverho-ging of -verlaging zal zorgen.

220-240VAC

230VAC

220-240VAC

230VAC

Figuur 3.7: Variabele transformator in combinatie met een scheidingstransformator

Het aansturen van de variabele transformator in combinatie met een scheidingstransformator kanop identieke wijze gebeuren als bij de variabele transformator zonder scheidingstransformator.Er zijn echter twee significante verschillen:

• het maximale regelbereik is bepaald door de windingsverhouding van de scheidingstrans-formator. Dat maakt dat het instellen van de intelligente transformator veel nauwkeurigerzal kunnen gebeuren voor eenzelfde nauwkeurigheid van het aandrijfmechanisme. Met eenscheidingstransformator die 10% boven- of onder de nominale spanning regelen mogelijkmaakt, kan de spanning nu in stappen van ongeveer 0,1 V geregeld worden.

• door de variabele spaartransformator zal slechts een fractie van de totale stroom vloeien,namelijk die stroom die nodig is om een spanningsverhoging of -verlaging te bekomen.

3.4.2 Discrete transformator

In dit systeem wordt gebruik gemaakt van 1 step-down scheidingstransformator waarbij desecundaire variabel gemaakt kan worden door middel van een stappenschakelaar. Omdat despanning bij dit type transformator slechts trapsgewijs kan geregeld worden, wordt dit type inwat volgt omschreven als ‘discrete transformator’. Schakelen op de primaire zou het voordeelkunnen hebben dat hier minder hoge stromen geschakeld dienen te worden, doch deze primaireis vaak onder de secundaire gewikkeld, hetgeen het aanbrengen van tussenaftakkingen sterkbemoeilijkt. In figuur 3.8 werd omwille van die reden een configuratie uitgewerkt met aftakkingenop de secundaire.


De zin van de stroom door de secundaire wordt bepaald door een wisselschakelaar, dewelkekan bepalen of de scheidingstransformator voor een spanningsverhoging of -verlaging zal zor-gen. De overige schakelaars aan de secundaire wikkeling bepalen stapsgewijs de grootte van despanningsvariatie, verder ‘stappenschakelaars’ genaamd. We dienen op te merken dat:

• Het maximale regelbereik is bepaald door de windingsverhouding van de scheidingstrans-formator.

• De spanningsvariatie is nu slechts stapsgewijs regelbaar, bijvoorbeeld in stapjes van 0,5V.

• De schakelaars voeren de volledige laststroom.

• Een onderbreking in het circuit is uit den boze, er zouden dan immers zeer grote zelfin-ductiespanningen kunnen optreden volgens vergelijking 3.5.

Ez = −Ldidt

(3.5)

Er dient dus een schakelstrategie ontwikkeld te worden die onderbrekingen uitsluit. Zokunnen bijvoorbeeld voor een korte periode twee stappenschakelaars gesloten worden.

Schakelaars kunnen van het mechanische of elektronische type zijn. In de literatuur werdenreeds talrijke elektronische stappenschakelaars uitgewerkt: [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39],[40], [41], [42].

220-240VAC

230VAC

Figuur 3.8: Scheidingstransformator vormt een variabele transformator

3.5 Besluit

In toekomstige elektriciteitsnetten zullen microgrids een sleutelrol vervullen. De manier waaropzij met het elektriciteitsnetwerk communiceren, en vooral de manier waarop verbruikers enproducenten in het microgrid met elkaar communiceren, dient zo kostenefficient mogelijk te zijn.De spanningsgebaseerde droop regeling is een manier om met een beperkte infrastructuurskosttoch communicatie met betrekking tot vermogensstromen in het micrgrid mogelijk te maken,er zijn immers geen bijkomende verbindingen nodig tussen eenheden in het microgrid vermitsde communicatie gebeurt op basis van het spanningsniveau. In netgekoppelde modus zorgt deintelligente transformator ervoor dat het microgrid zich voor de distributienetbeheerder voordoetals een enkele regelbare eenheid. De distributienetbeheerder moet dus niet met alle eenheden inhet microgrid communiceren, maar slechts uitsluitend met de intelligente transformator.

In dit hoofdstuk werden twee werkingsprincipes uitgewerkt voor de intelligente transformator.De continue transformator heeft het voordeel spanningen, en dus vermogensstromen, niet traps-gewijs te kunnen regelen. De discrete transformator heeft dit voordeel niet, maar heeft dan weerhet voordeel dat het omschakelen naar een andere werkingstoestand zeer snel kan gebeuren.


In de volgende hoofdstukken zullen we van beide principes gebruik maken met als doel van deimplementatie van beide transformatoren simulaties en metingen te bekomen.

Hoofdstuk 4

Realisaties

4.1 Continue transformator

4.1.1 Uitvoeringsvorm

Er werd gekozen voor het model YRV450/8 van de firma Schuntermann Gmbh. Dit is eenspaartransformator volgens het schema van figuur 3.6. De maximale stroom door de windingenbedraagt 8 A [43]. De transformator is daardoor in staat volgende vermogens over te dragen:

S1f = U · I = 230V · 8A = 1840V AS3f = 3 ·U · I = 3 · 230V · 8A = 5520V A

(4.1)

Waarbij S1f en S3f respectievelijk het eenfasig en het driefasig schijnbaar vermogen voorstellen.De transformator heeft, bij 230V primaire spanning, volgend spanningsbereik voor de secundairespanning:

Umin = 0VUmax = 260V

(4.2)

Figuur 4.1 geeft een foto van de gebruikte transformator. Vooraan is de motoraandrijving teonderscheiden. Deze bestaat uit een enkelfasige synchrone motor. Achteraan zijn drie trans-formatoren te onderscheiden waarop borstels voor de aftakking zorgen. Deze borstels wordenaangedreven door de motor. De rotatiesnelheid bedraagt 24 seconden per omwenteling. Ditresulteert in een spanning die afhankelijk is van de tijd waarop een opwaarts of neerwaarts bevelaan de motor gegeven wordt.

1⇔ 24s⇔ 240V (4.3)

Dit geeft: 1s⇔ 10V0, 1s⇔ 1V

(4.4)

Een behuizing zorgt er voor dat de beschermingsgraad van IP0 naar IP20 opgetrokken kanworden, wat directe aanraking van onder spanning staande delen bemoeilijkt.

4.1.2 Elektrische aansluiting

Er werd een elektrisch schema opgesteld, figuur 4.2. De beveiligingen F1 en F2 beveiligende stuurschakeling, hier voorgesteld door U3, vanuit respectievelijk het net (voorgesteld doorL1, L2, L3 en N) en het microgrid (voorgesteld door L1, L2, L3 en N). De stuurschakelingkan immers zodanig uitgevoerd worden dat ze zijn energie uit een van beide netten kan halen,hetgeen voordelen biedt naar bedrijfszekerheid van de intelligente transformator en eventuelewederinschakeling toe.

34

Hoofdstuk 4. Realisaties 35

Figuur 4.1: Foto en lijntekening Schuntermann

Q1 en Q2 zijn magnetothermische relais en beveiligen de transformator tegen kortsluiting enoverbelasting vanuit respectievelijk de netzijde en de microgridzijde. Er dient met twee relaiste worden gewerkt omdat de spanning van het microgrid kan wijzingen ten opzichte van despanning aan de netzijde. Dit zou, bij het gebruik van slechts 1 beveiliging, kunnen leiden toteen overschrijden van de maximale stroom in de lijn die niet beveiligd werd. Door het gebruikvan twee beveiligingen en contactoren K1 en K2, die beiden slechts ingeschakeld zijn als Q1 enQ2 ingeschakeld zijn, wordt vermeden dat bij inwendige fouten de fout toch nog langs een zijdegevoed zou worden.

Vanuit de stuurschakeling wordt de synchrone motor M1 aangedreven. Er zijn op de trans-formator ook eindeloopcontacten S1 en S2 aangebracht die het overschrijden van de maximalepositie onmogelijk maken. Q3 stelt een driefasige vermogenelektronische schakelaar voor, waar-mee de intelligente transformator via een bevel van de stuurschakeling het microgrid kan aan-of afkoppelen van het distributienet.

4.1.3 Aansturing

Om de signalen van de stuurelektronica te scheiden van de laagspanningsstroombaan waarmeede motor wordt aangedreven, werd de schakeling uit figuur 4.3 gebouwd. de schakeling bestaatuit een optotriacs IC1 tot en met IC4, dewelke voor een galvanische scheiding tussen stuur-elektronica en laagspanningsstroombaan zorgen. Deze optokoppelaars sturen op hun beurt devermogentriacs U1 tot en met U4 aan. Deze triacs kunnen maximaal (gekoeld) 12A voeren enspanningen tot 800V over klem 1 en 2 isoleren.

4.2 Discrete transformator

4.2.1 Uitvoeringsvorm

Het principe van figuur 3.8 werd aan de praktijk getoetst door middel van een omgebouwdescheidingstransformator van figuur 4.4. Het gaat om een driefasige transformator van de firmaTelemecanique met vermogen 320VA per fase, primaire fasespanning 230V en secundaire fase-spanning 12V. De secundaire windingen werden daarbij ontbloot en op deze windingen werdentussenaftakkingen gemaakt. De secundaire wikkeling werd vervolgens in serie met de uitgangvan de transformator geschakeld. De maximale stroom door deze wikkeling bedraagt 26 A. De


Figuur 4.2: Elektrisch schema rond de continue transformator

Figuur 4.3: Aansturing van de continu transformator door middel van triac uitgangen

transformator is daardoor in staat volgende vermogens over te dragen:S1f = U.I = 230V.26A = 5980V AS3f = 3.U.I = 3.230V.26A = 11960V A

(4.5)


Waarbij S1f en S3f respectievelijk het eenfasig en het driefasig schijnbaar vermogen voorstellen.De transformator heeft, bij 230V primaire spanning volgend spanningsbereik voor de secundairespanning:

Umin = 230V − 12V = 218VUmax = 230V + 12V = 242V

(4.6)

Er zijn in totaal 21 stappen waarmee deze uitgangsspanning kan bekomen worden, de stapgroottebedraagt dus 1, 2V per stap.

Figuur 4.4: Transformator met tussenaftakkingen op de secundaire wikkeling

4.2.2 Elektrische aansluiting

In figuur 4.5 werd een elektrisch schema opgesteld. Het beveiligingscircuit, U1, is daarbij identiekals in figuur 4.2. De stuurschakeling, U3, is gelijkaardig als deze in figuur 4.2. Dit maakt datde discrete transformator eenvoudig en snel kan worden aangesloten op het eerder opgebouwdebeveiligingscircuit en de stuurschakeling. De microcontroller van de discrete transformator, µCin U2, stuurt op basis van op- of neer commando’s schakelaars aan die de uitgangsspanning vande discrete transformator regelen.

4.2.3 Aansturing

Om de signalen van de stuurelektronica te scheiden van de laagspanningsstroombaan aan desecundaire van de transformator, werd de schakeling uit figuur 4.6 gebouwd. De schakelingbestaat uit twee demultiplexers U1 en U2, die een 8-bits signaal afkomstig van connector P1omzetten naar een keuze van stand, vertaald in het activeren van een van de optotriacs IC1 toten met IC11. Deze optotriacs scheiden de stuurelektronica van de laagspanning en drijven ophun beurt triacs U3 tot en met U13 aan. Deze triacs kunnen maximaal (gekoeld) 12A voeren enkunnen spanningen tot 800V over klem 1 en 2 isoleren. Optokoppelaars IC12 en IC13 wordenrechtstreeks vanuit connector P1 gevoed en drijven triacs U14 en U15 aan, dewelke voor hetompolen van de secundaire wikkeling van de discrete transformator zorgen. Aldus wordt met dekeuze tussen U14 en U15 gekozen tussen een spanningsverhoging of een spanningsverlaging.

De schakeling van figuur 4.6 wordt verbonden met een microcontroller van de firma AnalogDevices, de ADuC800. In figuur 4.7 wordt een gereduceerd schema weergegeven waarop slechts


Figuur 4.5: Elektrisch schema rond de discrete transformator

Figuur 4.6: Aansturing van de discrete transformator

de in deze toepassing gebruikte in- en uitgangen worden weergegeven. Connector H3/P2 uitfiguur 4.7 stuurt de gewenste waarde naar connector P1 van figuur 4.6. Connector H2/P3 wordtaangesloten aan de uitgang van de stuurelektronica, deze stuurelektronica levert de op- of neer


commando’s dewelke door de ADuC800 worden omzet in een 8-bits die door middel van de inde schakeling van figuur 4.6 aanwezige demultiplexers worden omgezet in een spanningswaardetussen -12V en +12V. De 8-bits waarden worden in het programma van de ADuC800 ingevoerdin 21 stappen.

Figuur 4.7: Verkort schema van de ADuC800


4.3 Stuurelektronica

4.3.1 FPGA

Voor het implementeren van de regelstrategie werd een Field Programmable Gate Array of FPGAgebruikt. De FPGA is een programmeerbare halfgeleiderchip waarbij een matrix van configu-reerbare logische blokken gebruikt wordt die op hun beurt verbonden zijn via programmeerbareverbindingen. Deze gehele structuur is omringd door digitale in- en uitgangen. Er werd gekozenvoor het type Spartan-3E van de firma Digilent uit figuur 4.8. FPGA’s bezitten een dusdanighoge rekensnelheid dat een regelaar opgebouwd met een FPGA, hoewel nochtans digitaal, kangezien worden als een analoge regelaar. De tijdsconstanten van het analoog proces zijn immersvaak vele malen hoger dan de sampletijd en de rekentijd van de FPGA. FPGA’s zijn ook inte-ressant omdat metingen zeer makkelijk te synchroniseren zijn, filtering zeer snel kan gebeurenen een groot aantal metingen en uitgangen mogelijk zijn.

Figuur 4.8: De Spartan-3E FPGA van Digilent

Om metingen mogelijk te maken, werd een elektronische schakeling met een analoog-digitaalconvertor geıntegreerd. Deze schakeling werd opgebouwd rond het IC AD6476A van de firmaAnalog Devices. In figuur 4.9 zijn in- en uitgangspinnen van dit IC terug te vinden. De FPGAleest het IC uit door de ingang CS laag te maken. Deze blijft laag gedurende 16 klokpulsen, diedoor het IC binnen gelezen worden door de pin SCLK. Wanneer het IC een lage CS ingangvaststelt, zal het IC de pin VIN uitlezen en worden via SDATA eerst 4 nullen doorgezonden,vervolgens de 12 bits, te beginnen met bit 11. VDD en GND zijn de voedingspinnen van het IC.

4.3.2 Spanningsmeting

Om de spanningen van neten microgridzijde te kunnen meten, werd een meetschakeling uitge-werkt volgens het schema van figuur 4.11. Daarin word een spanningsingang door middel vaneen hoge impedantie, gevormd door R1, R2, C1, C2, aan een instrumentatieversterker INA155,U1, gekoppeld. Vermits de FPGA Pmods echter met uitsluitend positieve signalen overwegkunnen en de ingangsspanning een wisselspanning is, dient de uitgang van U1 gesuperponeerdte worden op een gelijkspanning. Daarom werd U3 in de schakeling opgenomen. Deze 1,8Vspanningsreferentie wordt aan de referentiepin Vref van U1 aangesloten. De uitgangsspanningvan U1 is een functie van het ingaand potentiaalverschil δVin, de versterkingsfactor G en de


Figuur 4.9: IC AD6476A

Figuur 4.10: Inlezen van meting in de FPGA

aangelegde referentiespanning Vref .

Vuit = δVinG+ Vref (4.7)

De uitgang van U1 werd voorzien van een zenerdiode D1, opdat aan de ingangen van de FPGAnooit meer dan 3,3V zou geleverd worden. De condensatoren C6 en C7 werden opgenomen omstoorsignalen af te voeren. Weerstand R5 en condensator C5 vormen samen een laagdoorlaat-filter met een cutoff frequentie fc, die kan berekend worden door:

fc =1

2πR5C5fc =

1

2π360Ω220nFfc = 2kHz (4.8)

4.3.3 Stroommeting

Om de stromen aan neten microgridzijde te kunnen meten, werd een meetschakeling uitge-werkt volgens het schema van figuur 4.12. Daarin word een stroomsignaal door middel vaneen LEM CASR-module, U1 omgezet naar een spanningssignaal. Dit spanningssignaal valt tesuperponeren met een spanningsreferentie. De LEM CASR-module bevat reeds een interne span-ningsreferentie Vint van 2,5V. Deze wordt via een interne weerstand Rint van 680Ω gekoppeldaan een operationele versterker, die ook gekoppeld is met de pin Vref . De ingangsspanning vande operationele versterker kan verlaagd worden tot Vref= 1,8V door middel van het plaatsen vaneen externe weerstand Rext naar de grond op de pin Vref , zo wordt een spanningsdeler gemaaktmet de interne weerstand van 680Ω, deze spanningsdeler wordt berekend volgens:

Vref = VintRext

RextRint1, 8V = 2, 5V

RextRext680Ω

Rext = 1748, 6Ω (4.9)


Figuur 4.11: Spanningsmeting

Figuur 4.12: Stroommeting

4.3.4 Analoge RMS-conversie

Om de RMS waarde van de gemeten spanningen en stromen aan neten microgridzijde terbeschikking te stellen van de FPGA werd een schakeling verwezenlijkt rond het IC AD637 vanAnalog Devices. De AD637 is een zeer nauwkeurige enkelvoudige RMS naar gelijkspanningsom-vormer die in staat is complexe golfvormen tot 600kHz bij 200mVrms ingangsspanning en 8MHzbij ingangsspanningen boven 1Vrms om te vormen. De functionele werking van de AD637 valtbest te verklaren aan de hand van het equivalent schema van figuur 4.13.

De ingangsspanning VIN wordt omgezet naar een gelijkstroom I1 door de actieve gelijkichters


Figuur 4.13: Analoge RMS omvormer

die door A1 en A2 gevormd worden. I1 vloeit ook door het berekencircuit, deze laatste heeft deoverdrachtsfunctie:

I4 =I2

1

I3(4.10)

I4 vloeit ook door A4, die met de externe condensator CAV een laagdoorlaatfilter vormt. Wan-neer de tijdsconstante van dit filter veel groter is dan de langste periode van het ingangssignaal,is de uitgang van A4 evenredig met de gemiddelde waarde van I4. De uitgang van A4 wordtals I3 gebruikt door A3. Daarbij dient opgemerkt te worden dat I3 gelijk is aan de gemiddeldewaarde van I4. Dit wordt teruggekoppeld op het berekencircuit waardoor:

I4 =1

T

∫ T

0

I21

I4dt = I1,RMS (4.11)

Aangezien I4 evenredig is met de uitgang en I1 evenredig is met de RMS waarde van de ingangwordt:

VOUT = VIN,RMS (4.12)

Er werd vervolgens de relatief eenvoudige schakeling van figuur 4.14 opgebouwd, bestaande uit:

• Een spanningsdeling met twee weerstanden van 1kΩ, om een virtueel nulpunt te bekomen.

• Een afvlakcondensator CAV van 1µF

• Een filtercondensator C2 van 3.3µF

• Enkele weerstanden: 24kΩ en 4, 7kΩ

4.3.5 Digitale RMS-conversie

Omdat de regelkring uiteindelijk een terugkoppellus zal bevatten met het actief vermogen, werdin System Generator, de programmeersoftware voor de FPGA, een digitale RMS convertorontwikkeld. Het resultaat is het programma van figuur 4.15. De gemeten waarde In1 wordteerst door een blok Down Sample gestuurd, die de grootte van de data kan reduceren. Vermitsde schakelingen voor spannings- en stroommeting beiden met een uitgangsspanning werken met


Figuur 4.14: Schema rond de analoge RMS omvormer

een spanningsreferentie van 1,8V wordt de meetwaarde in het blok AddSub verminderd met 2245,hetgeen overeen komt met 1,8V en dus het midden van het totale meetbereik van de meting.Het blokje Mult vermenigvuldigt de meetwaarde met zichzelf en maakt samen met Cordic Sqrtde meetwaarde steeds positief.

xuit =√x2in (4.13)

Het blokje Accumulator telt alle meetwaarden op bij een vorig totaal tot de rst ingang hooggemaakt wordt. Aan de rst ingang van de Accumulator is een nuldoorgangsdetectiecircuitgekoppeld, dat het aantal nuldoorgangen telt en bij het in Constant 7 ingestelde gewenste aantalde rst ingang van de Accumulator hoog maakt, waardoor deze terug de uitgang 0 bekomt. Hetblokje Register houdt de waarde aan de ingang d aan tot de ingang en terug hoog gemaaktwordt. De ingang en is gekoppeld met een detectiecircuit dat een dalende flank detecteert.Als een dalende flank wordt vastgesteld, ververst Register zijn waarde met die van net voor dedalende flank via Delay1. Een voorbeeld van de berekening wordt gegeven in figuur 4.16, waarbijde nuldoorgangsdetectie op 1 werd ingesteld, zodat bij elke nuldoorgang de RMS waarde van deingang berekend wordt.

4.4 Belastingen

Voor de belasting van de transformatoren werden modules van het type 4600 Series Program-mable AC van de firma NHResearch gebruikt. Deze elektronische lasten kunnen een resistieve,inductieve of capacitieve last genereren, of een combinatie van lasten, en worden aangestuurddoor middel van een PC met bijhorende software. Een voorbeeld van de aansturing van eenenkelfasige module wordt gegeven door figuur 4.17. De software maakt het mogelijk stroom,weerstand, spanning of vermogen als constant in te stellen. Bovendien is de mogelijkheid voor-zien om de arbeidsfactor in te stellen, en aldus een complexe belasting te genereren. De besprokenmogelijkheden maken de 4600 Series geschikt om nagenoeg elke AC belasting te genereren.


Figuur 4.15: Digitale RMS omvormer

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.0250

50

100

150

200

250

300

0

200

400

600

800

1000

1200

0

5

10

15

20

25

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Time offset: 0

Figuur 4.16: RMS berekening door digitale RMS omvormer

4.5 Besluit

De continu transformator en de discrete transformator werden in dit hoofdstuk uitgewerkt. Ookwerden de metingen uitgewerkt die de regeling voor de intelligente transformator mogelijk zullenmaken. Op basis van dit hoofdstuk zullen in volgende hoofdstukken simulaties en metingenopgesteld worden.


Figuur 4.17: Belasting type 4600 Series Programmable AC van de firma NHResearch

Hoofdstuk 5

Simulaties

5.1 Continue transformatormodel

5.1.1 Model zonder belasting - aan/uit regeling

De continue transformator wordt in Matlab/Simulink gesimuleerd door het model van figuur 5.1.Twee integrerende acties worden door middel van de blokjes Op-integrator en Neer-integratorin het model verwerkt. Zij stellen de opwaartse- en de neerwaartse regeling voor. De boven- enonderste limiet van de variabele transformator worden voorgesteld door middel van het blokjeLimieten, een blokje dat saturatie voorsteld. De limieten worden ingesteld op

Vmax = 265VVmin = 0V

(5.1)

Figuur 5.1: Model van de continue transformator met aan/uit regeling

Ook het blokje Oploopbeveiliging bevat dezelfde limieten. Dit blokje zorgt voor een begrenzingvan de Op-integrator, zodat de regelaar niet boven zijn maximale uitgang gaat regelen, hetgeenbij het neerwaarts regelen een statische offset tot gevolg zou kunnen hebben. In een eerstesimulatie werd gekozen voor het gebruik van een aan/uit regelaar. Deze aan/uit regelaar werdgesimuleerd door middel van de blokjes Inschakeldrempel, Op-relais en Neer-relais. Het blokjeInschakeldrempel werd voorzien van een minimale en maximale inschakeldrempel:

δmax = 0, 001δmin = −0, 001

(5.2)

Wanneer er aan de ingang van het blokje Inschakeldrempel een fout wordt vastgesteld die hogeris dan hetgeen ingesteld werd, zal:

• Bij een negatieve waarde aan de ingang van het blokje Inschakeldrempel, hetgeen duidt opeen te lage waarde van de uitgangsspanning van de transformator, het blokje Op-relais zijnuitgang aansturen met de waarde 1. De gesimuleerde transformator start nu een opwaartse

47

Hoofdstuk 5. Simulaties 48

regeling via Op-integrator De waarde 11.05 in het blokje Op-V/s is de spanningswaarde dieper seconde kan geregeld worden en wordt bekomen door de maximale uitgangsspanningte delen door het aantal seconden die nodig zijn om deze te bereiken. Deze methode istoelaatbaar, vermits de uitgangsspanning van de continue transformator lineair oplooptmet de tijd van een opwaarts bevel volgens vergelijking 5.3. Van zodra de wenswaardebereikt is, zal het blokje Op-relais zijn uitgang terug 0 maken.

V1s =Vmaxtmax

=265V

24s= 11, 05V/s (5.3)

• Bij een positieve waarde aan de ingang van het blokje Inschakeldrempel, hetgeen duidt opeen te hoge waarde van de uitgangsspanning van de transformator, zal het blokje Neer-relais zijn uitgang aansturen met de waarde 1. De gesimuleerde transformator start nueen neerwaartse regeling via Neer-integrator. Van zodra de wenswaarde bereikt is, zal hetblokje Neer-relais zijn uitgang terug 0 maken.

De blokjes Op-dt en Neer-dt werden toegevoegd om een lichte tijdsvertraging tussen regelaar entransformator toe te laten. Het effect van deze lichte tijdsvertragingen is echter niet significant:de regeling wordt met dezelfde tijdsvertraging uitgesteld. In deze simulatie werd dan ook detijdsvertraging uitgeschakeld.

dtop = 0dtneer = 0

(5.4)

Aan het model worden nu in het blokje Wenswaarde volgende wenswaarden opgelegd:Vwens = 200V, 0 < t ≤ 30Vwens = 100V, 30 < t

(5.5)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.2. In de eerste 16 seconden van de simulatie tracht detransformator de spanning opwaarts te regelen tot een waarde van 200 V. Eenmaal deze bereiktis, stopt de opwaartse regeling. Vanaf 30 seconden wordt de wenswaarde gewijzigd van 200 Vnaar 100 V. De transformator start nu een neerwaartse regeling tot een waarde van 100 V bereiktis. Belangrijk om op te merken is dat de voorgestelde regeling de snelst mogelijke regelwijzelijkt, gezien de enige beperkingen op de regelsnelheid van de op- of neerwaartse snelheid van deregelbare transformator komen.

Figuur 5.2: Uitgangsspanning en spanningswenswaarde bij onbelaste continue transformator metaan/uit-regeling


5.1.2 Model zonder belasting - P regeling

In plaats van het gebruik van een aan/uit regeling kan ook gebruik gemaakt worden van eenPID-regelaar. Dit werd in het model van figuur 5.3 gesimuleerd door het vervangen van hetblokje Inschakeldrempel door een blokje P Regelaar. In het blokje P Regelaar, wat eigenlijkeen volledige PID-regelaar is, werd daarbij enkel het P-gedeelte actief gemaakt. Het systeemzelf bevat immers reeds een actie die na verloop van tijd de fout wegwerkt: de opwaartse ofneerwaartse beweging van de transformator. Het is dan niet meer nodig een integrerende actieop te nemen in de regelaar. De proportionele versterking werd ingesteld op KP = 1. Hetvergroten van KP heeft geen enkel effect op de regelkring, vermits die niet reageert op degrootte van de fout, maar op het teken van de fout. De respons van het systeem wordt gegevenin figuur 5.4. Vermits het te regelen systeem gelijk blijft en voornamelijk gelimiteerd is door deregelsnelheid van de regelbare transformator, is de respons identiek als bij het gebruik van deeerder voorgestelde aan/uit regeling in figuur 5.2.

Figuur 5.3: Model van de continue transformator met P regeling en KP = 1

Figuur 5.4: Uitgangsspanning en spanningswenswaarde bij onbelaste continue transformator met P-regeling


5.1.3 Model met belasting - spanningsregeling

Om een meer realistisch beeld van het gedrag van de transformator te verkrijgen, werd gebruikgemaakt van de Matlab toolkit SimPowerSystems. Aan de regelkring uit figuur 5.1 werden nuenkele blokjes toegevoegd:

• Regelbare Spanningsbron, die toelaat de spanning te regelen.

• T1, die toelaat benaderende transformatorparameters in te geven. T1 werd hier uitsluitendvoorzien van een inwendige weerstand van 1, 55Ω, voorts is het een ideale transformator.

• R1, L1, C1 , waarmee een belasting kan gesimuleerd worden.

• RMS, die de momentele waarden van de spanning omzet naar een RMS waarde die gebruiktkan worden in het regelcircuit.

Dit geeft het model van figuur 5.5

Figuur 5.5: Model van de continue transformator met aan/uit spanningsregeling en belasting

Aan het model werden volgende wenswaarden opgelegd:Vwens = 200V, 0 < t ≤ 30Vwens = 100V, 30 < t

(5.6)

Om na te gaan hoe het model reageert op resistieve belasting werd volgende last aangelegd:

R1 = 50Ω (5.7)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.6. De uitgangsspanning wijkt niet af van deze infiguur 5.2. De uitgangsspanning is dus onafhankelijk van de belasting, zolang de belastingbinnen redelijke normen blijft. Dit omwille van de aanwezige spanningsregeling, die elke span-ningsdaling als gevolg van de belasting zal compenseren. Gezien hier een spanningsregelinggesimuleerd wordt, neemt het actief vermogen een waarde aan overeenkomstig de aangelegdespanning. Vermits geen inductieve of capacitieve last werd aangelegd, wordt er geen reactiefvermogen gemeten.


Figuur 5.6: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van een re-sistief belaste continue transformator

Om na te gaan hoe het model reageert op een inductief-resistieve belasting werd volgende lastaangelegd:

R1 = 50ΩL1 = 159, 155mH

(5.8)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.7. De uitgangsspanning wijkt niet af van deze infiguur 5.6. De uitgangsspanning is dus onafhankelijk van het inductief karakter van de last.Eventuele spanningsafwijkingen worden hier namelijk ook gecompenseerd door de regelaar. Destroom is wel hoger, vermits er nu een bijkomende belasting opgelegd wordt. De inductieveen resistieve last werden zodanig gedimensioneerd dat actief en reactief vermogen bij eenzelfdeaangelegde spanning gelijk zijn aan elkaar. Gezien hier een spanningsregeling gesimuleerd wordt,nemen de vermogens een waarde aan overeenkomstig de aangelegde spanning.


Figuur 5.7: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van eeninductief-resistief belaste continue transformator

Om na te gaan hoe het model reageert op variatie van de belasting werd volgende last aangelegd:R1 = 50Ω, 0 < t ≤ 25R1 = 25Ω, 25 < tL1 = 159, 155mH

(5.9)

Bij een constante spanningswenswaarde:

Vwens = 200V (5.10)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.8. De spanning wordt bij aanvang geregeld naar dewenswaarde van 200V en neemt de wenswaarde aan vanaf 18 seconden. Op het tijdstip t = 25swordt de belasting verdubbeld. Als gevolg hiervan stijgt de stroom en nemen de verliezen in detransformator T1 toe. Dit heeft tot gevolg dat de spanning in de keten iets lager zal worden dande wenswaarde van 200V . Deze kleine fout wordt door de regelaar echter zeer snel weggewerkt,om na t = 26s al weer volledig verdwenen te zijn. Het reactief vermogen blijft ongewijzigd, opeen lichte daling, ten gevolge van de daling van de spanning in de keten, na.


Figuur 5.8: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van een con-tinue transformator met varierende belasting

Om na te gaan hoe het model reageert op een plotse daling van de netspanning werd volgendenetspanning aangelegd:

Vnet = 230V, 0 < t ≤ 25Vnet = 207V, 25 < t

(5.11)

Bij de gebruikelijke last: L1 = 159, 155mHR1 = 50Ω

(5.12)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.9. De spanning wordt bij aanvang geregeld naar dewenswaarde van 200V en neemt deze waarde aan vanaf 18 seconden. Op het tijdstip t = 25swordt een spanningsdaling van 10% gesimuleerd. Dit heeft tot gevolg dat de spanning in de keteniets lager zal worden dan de wenswaarde van 200V . Deze kleine fout wordt door de regelaarechter zeer snel weggewerkt, om na t = 27s al weer volledig verdwenen te zijn. Tijdens de korteperiode waarin er een spanningsdaling in de keten voorkomt, dalen ook het actief en reactiefvermogen, vermits hun grootte hier louter afhankelijk is van de spanning in de keten.


Figuur 5.9: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van een be-laste continue transformator onderworpen aan een variabele netspanning

5.1.4 Model met belasting - vermogensregeling

Omdat het uiteindelijke doel van de intelligente transformator een vermogensregeling betreft,zal hier een vermogensregeling uitgewerkt worden. Aan het model van de transformator uitfiguur 5.5 worden nu enkele blokjes toegevoegd:

• Stroom x Spanning P, die een realtime berekening maakt van het actief vermogen.

• Gemiddelde P, die van het realtime actief vermogen een gemiddelde maakt en deze waardenaar de regelaar zendt.

• Naijling, die de meetwaarde van de stroom 90° doet naijlen, om het reactief vermogen tekunnen berekenen.

• Stroom x Spanning Q, die een realtime berekening maakt van het reactief vermogen.

• Gemiddelde Q, die van het realtime reactief vermogen een gemiddelde maakt.

Dit geeft het model van figuur 5.10.Aan het model worden volgende wenswaarden opgelegd:

Pwens = 1000W, 0 < t ≤ 30Pwens = 500W, 30 < t

(5.13)


Figuur 5.10: Model van de continue transformator met aan/uit vermogensregeling en belasting

Om na te gaan hoe het model reageert op een gemengde belasting werd een last aangelegd meteen voornamelijk resistief karakter:

R1 = 50ΩL1 = 636, 62mH

(5.14)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.11. In de eerste 30 seconden regelt de regelaar despanning op tot een vermogen van 1000W bereikt wordt. Na 30 seconden regelt de regelaarde spanning op tot een vermogen van 500W bereikt wordt. Algemeen valt op dat het reactiefvermogen, Quit, geen invloed heeft op de regeling. Het reactief vermogen is slechts afhankelijkvan de grootte van de spanning, en zal dus wel mee varieren met de regeling, doch op zichzelfniet geregeld worden. Dit fenomeen kan belangrijk zijn voor lasten die voornamelijk inductief ofcapacitief zijn. Het reactief vermogen kan daar immers in grootte het actief vermogen meermaalsoverstijgen, en aldus voor overbelasting zorgen, en dit zonder dat de limieten voor het actiefvermogen in de regeling overschreden worden.


Figuur 5.11: Spanning, stroom, actief en reactief vermogen bij het model van de continue transformatormet vermogensregeling en belasting


(5.15)

Bij een constante vermogenswenswaarde:

Pwens = 1000W (5.16)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.12. De spanning wordt bij aanvang geregeld tot hetvermogen de wenswaarde van 1000W en neemt de wenswaarde aan vanaf 20 seconden. Op hettijdstip t = 25s wordt de belasting verdubbeld. Als gevolg hiervan stijgt de stroom en nemende verliezen in de transformator T1 toe. Dit heeft tot gevolg dat de spanning in de ketenonmiddellijk iets lager zal worden dan vlak voor de verdubbeling van de belasting, het vermogenwordt dus onmiddellijk lager dan het dubbele van het oorspronkelijk vermogen in de keten. Deresterende fout wordt door de regelaar weggewerkt door de spanning te doen dalen. Zo komthet actief vermogen na t = 31s terug op 1000W . Het reactief vermogen is een functie van despanning in de keten.


Figuur 5.12: Spanning, stroom, actief en reactief vermogen bij het model van de continue transformatormet vermogensregeling en varierende belasting


Vnet = 230V, 0 < t ≤ 25Vnet = 207V, 25 < t

(5.17)

Bij de last: R1 = 50ΩL1 = 636, 62mH

(5.18)

En een constante vermogenswenswaarde:

Pwens = 1000W (5.19)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.13. Het actief vermogen wordt bij aanvang geregeldnaar de wenswaarde van 1000W en neemt deze waarde aan vanaf 21 seconden. Op het tijdstipt = 25s wordt een spanningsdaling van 10% gesimuleerd. Dit heeft tot gevolg dat de spanningin de keten lager zal worden dan net voor de spanningsdaling, hetgeen op zijn beurt tot gevolgheeft dat het vermogen daalt. Het actief vermogen is nu lager dan de wenswaarde van 1000W .Deze fout wordt door de regelaar weggewerkt, om na t = 27s al weer volledig verdwenen te zijn.


Figuur 5.13: Spanning, stroom, actief en reactief vermogen bij het model van de continue transformatormet vermogensregeling en belasting

5.2 Discreet transformatormodel

5.2.1 Model zonder belasting - aan/uit regeling

De discrete transformator wordt in Matlab/Simulink gesimuleerd door het model van figuur 5.14.

Twee tellers worden door middel van de blokjes Op-teller en Neer-teller in het model verwerkt.Zij stellen de opwaartse regeling en de neerwaartse regeling voor. De bovenen onderste limietvan de stapsgewijze transformator wordt opgelegd door een maximale en minimale tellerwaardeop te leggen door middel van de blokjes Op-maximum detectie en Neer-minimum detectie. In eeneerste simulatie werd gekozen voor het gebruik van een aan/uit regelaar. Deze aan/uit regelaarwerd gesimuleerd door middel van de blokjes Inschakeldrempel, Op-relais en Neer-relais. Hetblokje Inschakeldrempel werd voorzien van een minimale en maximale inschakeldrempel:

δmax = +0, 6δmin = −0, 6

(5.20)

Er werd bewust gekozen voor de waarden +0, 6 en −0, 6, daar de stappen onderling 1, 2V vanelkaar verwijderd liggen, en de regeling bij deze instelling aldus de stap kiest waarbij de minsteafwijking ten opzichte van de wenswaarde optreedt. Wanneer er aan de ingang van het blokjeInschakeldrempel een fout wordt vastgesteld die hoger is dan hetgeen ingesteld werd, zal:

• Bij een negatieve waarde aan de ingang van het blokje Inschakeldrempel, hetgeen duidt


Figuur 5.14: Model van de discrete transformator met aan/uit regeling

op een te lage waarde van de uitgangsspanning van de transformator, zal het blokje Op-relais samen met het blokje Impulsgenerator de uitgang aansturen met een pulstrein. Degesimuleerde transformator start nu een opwaartse regeling via Op-teller. Van zodra dewenswaarde bereikt is, zal het blokje Op-relais zijn uitgang terug 0 maken waardoor deOp-teller niet meer oploopt. De transformator blijft zo in de bereikte stand.

• Bij een positieve waarde aan de ingang van het blokje Inschakeldrempel, hetgeen duidt opeen te hoge waarde van de uitgangsspanning van de transformator, zal het blokje Neer-relais samen met het blokje Impulsgenerator de uitgang aansturen met een pulstrein. Degesimuleerde transformator start nu een neerwaartse regeling via Neer-teller. Van zodrade wenswaarde bereikt is, zal het blokje Neer-relais zijn uitgang terug 0 maken. Detransformator blijft zo in de bereikte stand.

Aan het model worden nu volgende wenswaarden opgelegd:Vwens = 230V, 0 < t 6 30Vwens = 210V, 30 < t

(5.21)

De respons wordt weergegeven in de linkerhelft van figuur 5.15. In de eerste 30 seconden vande simulatie tracht de transformator de spanning opwaarts te regelen tot een waarde van 230 V.Eenmaal deze bereikt is, stopt de opwaartse regeling. Vanaf 30 seconden wordt de wenswaardegewijzigd van 230 V naar 210 V. De transformator start nu een neerwaartse regeling tot eenwaarde van 210 V bereikt is. De snelheid waarmee de transformator regelt is in dit gevalinstelbaar door het blokje Impulsgenerator. Ter illustratie werd de snelheid van de pulstreinopgevoerd om de respons van de rechterhelft van figuur 5.15 te bekomen. In praktijk zal eencompromis moeten gevonden worden tussen een snelle regeling en een beperkte invloed op decomponenten zoals inductieve lasten of de intelligente transformator zelf.


Figuur 5.15: Uitgangsspanning en spanningswenswaarde bij onbelaste discrete transformator met aan-/uit regeling

5.2.2 Model zonder belasting - PI regeling

In plaats van het gebruik van een aan/uit regeling kan ook gebruik gemaakt worden van eenP-regelaar. Dit werd in het model van figuur 5.14 gesimuleerd door het vervangen van het blokjeImpulsgenerator door een blokje PI-regelaar. In het blokje PI Regelaar, wat eigenlijk een vol-ledige PID-regelaar is, werd daarbij enkel het P- en I-gedeelte actief gemaakt met versterkingKP = 1 en KI = 0, 2. De integrerende actie werd opgenomen omdat er bij de discrete transfor-mator vaak een afwijking tussen wenswaarde en gemeten waarde blijft bestaan. De integratorzal deze fout trachten weg te werken. De respons van het systeem wordt gegeven in de linkerhelftvan figuur 5.17. Hier is duidelijk dat de integrator de fout tracht weg te werken, maar daarbijeen nieuwe fout creeert omwille van het beperkte aantal spanningswaarden die de uitgang kanaannemen. Ter illustratie werd ook hier de snelheid van de pulstrein opgevoerd om de responsvan de rechterhelft van figuur 5.17 te bekomen.

Figuur 5.16: Model van de discrete transformator met PI regeling bij KP = 1 en KI = 0, 2


Figuur 5.17: Uitgangsspanning en spanningswenswaarde bij onbelaste discrete transformator met PI-regeling

5.2.3 Model met belasting - spanningsregeling

Om een meer realistisch beeld van het gedrag van de transformator te verkrijgen, werd gebruikgemaakt van de Matlab toolkit ’SimPowerSystems’. Aan het model van de transformator uitfiguur 5.14 werden nu enkele blokjes toegevoegd:

• 220V AC spanningsbron, die het voedende net voorstelt.

• Winding 1 t.e.m. Winding 10, die verschillende tussenaftakkingen op de secundaire vande transformator voorstellen.

• R1, L1 en C1, waarmee een belasting kan gesimuleerd worden.

• Schakelaar vermeerderen en Schakelaar verminderen, schakelaars waarmee de zin van destroom door de windingen gekozen wordt.

• Schakelaar tap 1 t.e.m. Schakelaar tap 10, schakelaars waarmee gekozen wordt op welketussenaftakking de uitgang van het transformatormodel aangesloten wordt.

• Verschillende Relationele operatoren en Relais, om de verschillende schakelaars aan testuren afhankelijk van de uitgang van de Op-teller en Neer-teller.

Dit geeft het model van figuur 5.18.Aan het model werden volgende wenswaarden opgelegd:

Vwens = 230V, 0 < t ≤ 30Vwens = 210V, 30 < t

(5.22)

Om na te gaan hoe het model reageert op resistieve belasting werd volgende last aangelegd:

R1 = 50Ω (5.23)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.19. Het spanningsverloop wijkt nauwelijks af van ditin figuur 5.15. De uitgangsspanning is dus nagenoeg onafhankelijk van de belasting, zolang dezebinnen de limieten van de discrete transformator blijft. De aanwezige spanningsregeling zal danimmers elke spanningsdaling als gevolg van de belasting compenseren. Wat wel verschillend is tenopzichte van figuur 5.15, is het aantal stappen die nodig zijn om de geregelde uitgangsspanningte bekomen. Waren er in figuur 5.15 nog acht stappen nodig om de uitgang bij wenswaarde


Figuur 5.18: Model van de discrete transformator met aan/uit spanningsregeling en belasting

230V te bekomen, dan zijn dat er in figuur 5.19 negen. Dit doordat bij een hogere belastingde uitgangsspanning van de discrete transformator lichtjes daalt, als gevolg van zijn inwendigeweerstand en inductantie. Ter illustratie werd ook hier de snelheid van de pulstrein opgevoerdom de snellere regeling van figuur 5.20 te bekomen.


Figuur 5.19: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van eenresistief belaste discrete transformator

Om na te gaan hoe het model reageert op inductief-resistieve belasting werd volgende lastaangelegd:

L1 = 159, 155mHR1 = 50Ω

(5.24)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.21. Het spanningsverloop wijkt nauwelijks af van ditin figuur 5.19. Omwille van het niet continu verloop van de spanning in de keten, wordt door despoel L1 kortstondig een spanning gegenereerd die deze veranderingen tegenwerkt, resulterendin een kortstondig hogere stroom. Dit fenomeen kan belangrijk zijn voor het dimensioneren vanonder andere schakelaars bij de praktische realisatie. De vermogens worden in deze opstellingniet geregeld, maar nemen een waarde aan overeenkomstig de aangelegde spanning.


Figuur 5.20: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij snelle spanningsregeling vaneen resistief belaste discrete transformator


(5.25)


Vwens = 225V (5.26)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.22. De spanning wordt bij aanvang geregeld naar dewenswaarde van 225V en neemt de wenswaarde aan vanaf 2 seconden. Op het tijdstip t = 25swordt de belasting vele malen zwaarder. Als gevolg hiervan stijgt de stroom en nemen deverliezen in de transformatorwindingen toe. Dit heeft tot gevolg dat de spanning in de keteniets lager zal worden dan de wenswaarde van 225V . Deze kleine fout wordt door de regelaarechter zeer snel weggewerkt, die regelt de transformator twee stappen hoger om opnieuw eenspanning ongeveer 225V te bekomen. Het reactief vermogen blijft nagenoeg ongewijzigd, metuitzondering van een kortstondige lichte daling als gevolg van de daling van de spanning in deketen.


Figuur 5.21: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van eeninductief-resistief belaste discrete transformator


Vnet = 220V, 0 < t ≤ 25Vnet = 209V, 25 < t

(5.27)

Bij de last: L1 = 159, 155mHR1 = 50Ω

(5.28)


Vwens = 210V (5.29)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.23. De spanning wordt bij aanvang geregeld naar dewenswaarde van 210V en neemt deze waarde aan vanaf 4 seconden. Op het tijdstip t = 25swordt de een spanningsdaling van 5% gesimuleerd. Dit heeft tot gevolg dat de spanning inde keten iets lager zal worden dan de wenswaarde van 210V . Deze kleine fout wordt door deregelaar echter zeer snel weggewerkt, door de transformator negen stappen hoger te schakelen.Tijdens de korte periode waarin er een spanningsdaling in de keten voorkomt, dalen ook hetactief en reactief vermogen, vermits hun grootte hier louter afhankelijk is van de spanning in deketen.


Figuur 5.22: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van eendiscrete transformator met varierende balasting

5.2.4 Model met belasting - vermogensregeling

Omdat het uiteindelijke doel van de intelligente transformator een vermogensregeling betreft,zal hier een vermogensregeling uitgewerkt worden. Aan het model van de transformator uitfiguur 5.18 worden nu enkele blokjes toegevoegd:

• Stroom x Spanning P, die een realtime berekening maakt van het actief vermogen.

• Gemiddelde P, die van het realtime actief vermogen een gemiddelde maakt en deze waardenaar de regelaar zend.

• Naijling, die de meetwaarde van de stroom 90° doet naijlen, om het reactief vermogen tekunnen berekenen.

• Stroom x Spanning Q, die een realtime berekening maakt van het reactief vermogen.

• Gemiddelde Q, die van het realtime reactief vermogen een gemiddelde maakt.

Dit geeft het model van figuur 5.24Aan het model worden volgende wenswaarden opgelegd:

Pwens = 1058W, 0 < t ≤ 30Pwens = 882W, 30 < t

(5.30)


Figuur 5.23: Spanning, stroom, actief vermogen en reactief vermogen bij spanningsregeling van eenbelaste discrete transformator onderworpen aan een varierende netspanning

Om na te gaan hoe het model reageert op een gemengde belasting werd een last aangelegd meteen voornamelijk resistief karakter:

R1 = 50ΩL1 = 0, 159155H

(5.31)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.25. In de eerste 30 seconden regelt de regelaar despanning op tot een vermogen van ongeveer 1058W bereikt wordt. Na 30 seconden regeltde regelaar de spanning neerwaarts tot een vermogen van 882W bereikt wordt. Het reactiefvermogen heeft geen invloed op de regeling. Het reactief vermogen is slechts afhankelijk vande grootte van de spanning, en zal dus wel mee varieren met de regeling, doch op zichzelf nietgeregeld worden.


Figuur 5.24: Model van de discrete transformator met aan/uit vermogensregeling en belasting


(5.32)

Bij een constante vermogenswenswaarde:

Pwens = 1058W (5.33)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.26. De spanning wordt bij aanvang geregeld tot hetvermogen de wenswaarde van 1058W en benaderd deze voldoende vanaf 5 seconden. Op hettijdstip t = 25s wordt de belasting verhoogd. Als gevolg hiervan stijgt de stroom en wordthet vermogen hoger dan de wenswaarde. Deze fout wordt door de regelaar weggewerkt door despanning te doen dalen. Zo komt het actief vermogen na t = 30s terug op ongeveer 1058W . Hetreactief vermogen is een functie van de spanning in de keten.


Figuur 5.25: Spanning, stroom, actief en reactief vermogen bij het model van de discrete transformatormet vermogensregeling en belasting


Vnet = 220V, 0 < t ≤ 25Vnet = 209V, 25 < t

(5.34)

Bij de last: R1 = 50ΩL1 = 636, 62mH

(5.35)

En een constante vermogenswenswaarde:

Pwens = 882W (5.36)

De respons wordt weergegeven in figuur 5.27. Het actief vermogen wordt bij aanvang geregeldnaar de wenswaarde van 882W en en benaderd deze voldoende vanaf 5 seconden. Op het tijdstipt = 25s wordt een spanningsdaling van 5% gesimuleerd. Dit heeft tot gevolg dat de spanningin de keten lager zal worden dan net voor de spanningsdaling, hetgeen op zijn beurt tot gevolgheeft dat het vermogen daalt. Het actief vermogen is nu lager dan de wenswaarde van 882W .Deze fout wordt door de regelaar weggewerkt door acht stappen hoger te schakelen, zodat nat = 28s de fout nagenoeg verdwenen is.


Figuur 5.26: Spanning, stroom, actief en reactief vermogen bij het model van de discrete transformatormet vermogensregeling en varierende belasting

5.3 Besluit

In dit hoofdstuk werden simulatiemodellen opgesteld voor discreet en continue geregelde trans-formatoren. Deze modellen werden verfijnd zodat een aangelegde belasting gesimuleerd konworden. Daarbij valt algemeen op dat de hier voorgestelde regelkringen niet voorspellend wer-ken. Er moet een afwijking zijn om een regelactie tot gevolg te hebben. Voor gebruik inintelligente transformatoren in regime stelt dit echter geen problemen. Bij inschakelprocedures,die bijvoorbeeld zullen gebruikt worden bij microgrids die in eilandbedrijf kunnen werken, iser wel een voorspelling noodzakelijk. Alvorens de intelligente transformator daar de koppelingverwezenlijkt, zal men immers een vergelijking moeten maken tussen de spanning aan de zijdevan het microgrid en deze op het distributienet, om zo een inschatting te kunnen maken van hetvermogen in ingeschakelde toestand. Om schakelcomponenten daar niet onnodig te belasten,zou kunnen geopteerd worden om te streven naar een nagenoeg stroomloos inschakelen van detransformator.

Een ander fenomeen dat voorkomt bij zowel discrete als continue geregelde transformatoren isdat bij regeling van het actief vermogen het reactief vermogen alleen afhangt van de spanning inhet net. Dit fenomeen kan belangrijk zijn voor lasten die voornamelijk inductief of capacitief zijn.Het reactief vermogen kan daar immers in grootte het actief vermogen meermaals overstijgen,en aldus voor overbelasting zorgen, en dit zonder dat de limieten voor het actief vermogen in deregeling overschreden worden. Er dient dus een bijkomende limiet in de intelligente transformator


Figuur 5.27: Spanning, stroom, actief en reactief vermogen bij het model van de discrete transformatormet vermogensregeling en belasting onderworpen aan een varierende netspanning

opgenomen te worden die de mogelijkheid op overbelasting uitsluit. Een beperking op de stroomzou kunnen volstaan.

De snelheid waarmee de discrete transformator regelt is in dit geval instelbaar door de snelheidvan de regelkring aan te passen. In praktijk zal een compromis moeten gevonden worden tusseneen snelle regeling en een beperkte invloed op de componenten zoals inductieve lasten of deintelligente transformator zelf. Een hoge regelsnelheid is wenselijk bij het gebruik van de in-telligente transformator om de spanning in het microgrid onafhankelijk te maken van eventuelespanningsdips of verhogingen in het distributienet. Deze mogelijkheid werd in de simulatiesonderzocht, en daaruit blijkt dat alleen de discrete transformator in staat blijkt dit zeer snel teverwezenlijken. De continue transformator kan de spanning in het microgrid ook onafhankelijkmaken van de spanning in het distributienet, maar heeft een inherente traagheid.

Omwille van het niet-continu verloop van de spanning in de keten gevoed door een discreetgeregelde transformator, kan door inductieve of capacitieve lasten gedrag uitgelokt worden watresulteert in kortstondige afwijkingen van de stroom. Dit fenomeen kan belangrijk zijn voor hetdimensioneren van onder andere schakelcomponenten in de transformator.

Hoofdstuk 6

Metingen

6.1 Continue transformator

6.1.1 Concept

De continue transformator wordt verwezenlijkt door een ringkerntransformator waarover eensleepring loopt. Om het concept te valideren, werd de opstelling van figuur 6.1 gebouwd. Despanning aan de ingang van de transformator bedraagt 240V , de uitgang wordt manueel ingesteldop 230V . De stromen in A, aan de ingang van de transformator en de stromen in B, aan deuitgang van de transformator, worden bij 3 verschillende resistieve belastingen opgemeten. Demeetresultaten zijn te vinden in tabel 6.1.

Figuur 6.1: Proefopstelling en weerstandsbelasting

Tabel 6.1: Meetresultaten variabele transformator met sleepring

Belasting A B

181,10Ω 1,24A 1,27A41,97Ω 5,3A 5,48A25,90Ω 8,57A 8,88A

De stroom aan de ingang van de transformator is steeds lichtjes hoger dan de stroom aan deuitgang, vermits de spanning aan de ingang van de transformator hoger is, en voor het vermogenbij benadering geldt:

Pin ≈ Puit (6.1)

72

Hoofdstuk 6. Metingen 73

Er is slechts een licht verschil, veroorzaakt door de verliezen in de transformator. Zo is bijvoor-beeld voor de tweede meting:

Pin = Vin · Iin = 240V · 5, 3A = 1272W (6.2)

Puit = Vuit · Iuit = 230V · 5, 48A = 1260W (6.3)

6.1.2 Vermogensregeling tussen twee netten

De continu transformator met aan/uit regeling wordt in de FPGA gerealiseerd door middelvan de System Generator toolbox, die grafische modellen omzet naar HVDL-code, dewelke inde FPGA kan geladen worden. In figuur 6.2 werd een regelaar geprogrammeerd welke in deblokjes Spanningsmeting en stroommeting spanningen en stromen binnen leest, die vervolgensin het blokje P berekening omzet naar een gemiddelde waarde van het actief vermogen, en inhet blokje Opwaarts en Neerwaarts vergelijkt met de gewenste waarde voor het actief vermo-gen. Afhankelijk van deze vergelijking worden de uitgangen Opwaarts schakelaar en Neerwaartsschakelaar aangestuurd. Metingen afkomstig van de blokjes RMS berekening V, RMS berekeningI, Berekening P en Berekening Q, kunnen worden geexporteerd dankzij het blokje Chipscope.

Figuur 6.2: Implementatie van de vermogensregeling op de continue transformator in de FPGA.

Om metingen tussen twee netten mogelijk te maken, werd de opstelling van figuur 6.3 gebouwd.Daarbij simuleert bron 1 het distributienet en bron 2 een DG-eenheid in het microgrid. Deopstelling werd aan de netzijde voorzien van een meting van spanning VN en stroom IN . Aande microgridzijde werd de intelligente transformator aan de klemmen voorzien van een span-ningsmeting VT . De intelligente transformator is hier door middel van een lijnweerstand RLen stroommeting IL verbonden aan bron 2. De spanning over bron 2 wordt gemeten door eenspanningsmeting Vµ. De metingen maken het ook mogelijk de actieve vermogens te berekenen.

PN = VN · INPT = VT · ILPµ = Vµ · ILPL = VL · IL

(6.4)


Deze eenvoudige berekeningen van het actief vermogen zijn gerechtvaardigd vermits er geenfaseverschillen bestaan tussen bron 1 en bron 2, en vermits er geen reactief vermogen in de ketengevraagd of geleverd wordt.

BR

ON

1:

SIM

ULA

TIE

NET

IN

VN

IL

VT

RL

Vµ

BR

ON

2:

SIM

ULA

TIE

µG

RID

INTELLIGENTETRANSFORMATOR

Figuur 6.3: Opstelling voor vermogensregeling tussen twee netten.

Aan de intelligente transformator wordt ook PST doorgegeven. Dit is het vermogen dat devermogensregeling in de intelligente transformator tracht te leveren. Indien het vermogen PSTnegatief gekozen is, wordt vermogen vanuit het distributienet getransporteerd richting micro-grid. Het microgrid zal zich dus voor het distributienet als verbruiker voordoen. Op te merkenvalt dat de regelkring in dit geval het vermogen aan de microgrid-zijde PT zal trachten te re-gelen naar de wenswaarde PST . Indien het vermogen PST positief gekozen is, wordt vermogenvanuit het microgrid getransporteerd richting distributienet. Het microgrid zal zich dus voorhet distributienet als producent voordoen. Op te merken valt dat de regelkring in dit gevalhet vermogen aan de netzijde PN zal trachten te regelen naar de ingestelde wenswaarde PST .In tabellen werden metingen bij verschillende waarden van PST opgenomen. Om de tabellenoverzichtelijk te houden, werden de opgemeten stromen IN (A) en IL(A) niet weergegeven, hunrespectievelijke vermogens wel.

Tabel 6.2 geeft metingen bij een lijnweerstand RL = 6, 6Ω. Hier blijkt duidelijk dat bij relatiefhoge lijnweerstand de spanning VT zeer sterk zal dienen te varieren opdat een vermogensuit-wisseling plaatsvindt. Voor PST = −1000W bedraagt de afwijking ongeveer 30V boven denominale waarde van 220V , voor PST = 1000W bedraagt de afwijking ongeveer 50V onder denominale waarde van 220V . De relatief grote waarde van RL zorgt ook voor een zeer grootverlies, PL, wat hier tot wel 10% van het totaal overgedragen vermogen oploopt, waarden dieontoelaatbaar zijn voor reele toepassing in het distributienet. De grootte van de lijnweerstandblijkt tevens een bepalende factor voor het maximaal overdraagbaar vermogen. Hier kunnende waarden −1200W en 1200W niet bereikt worden, omdat de spanning VT op zijn maximum,respectievelijk op zijn minimale waarde stuit. De maximale waarde wordt opgelegd door demaximale windingsverhouding van de transformator. De minimale waarde werd in de transfor-mator mechanisch ingesteld, om overspanningen aan de distributienetzijde te voorkomen. Zouimmers de sleepringzijde van de transformator worden ingesteld zodat slechts een zeer beperktaantal windingen stroom voeren, dan zou in de zijde zonder sleepringen een zeer hoge spanningkunnen geınduceerd worden.

Tabel 6.3 geeft metingen bij een lijnweerstand RL = 3, 3Ω. De waarden PST = −1200W enPST = 1200W kunnen nu wel bereikt worden, vermits de spanning VT veel minder afwijkt vande nominale spanning. Voor PST = −1000W bedraagt de afwijking ongeveer 17V boven denominale waarde van 220V , voor PST = 1000W bedraagt de afwijking ongeveer 8V onder denominale waarde van 220V . De verliezen in de lijnweerstand RL, zijn nu ongeveer gehalveerdten opzichte van de meting bij RL = 6, 6Ω.

Tabel 6.4 geeft metingen bij een lijnweerstand RL = 1, 65Ω. Voor PST = −1000W bedraagt


de afwijking op VT nu nog slechts ongeveer 12V boven de nominale waarde van 220V , voorPST = 1000W bedraagt de afwijking nu nog slechts ongeveer 12V onder de nominale waardevan 220V . De spanning VT blijft dus gelegen in een band van 6% boven en onder de nominalewaarde. De verliezen in de lijnweerstand RL, zijn opnieuw ongeveer gehalveerd ten opzichte vande meting bij RL = 3, 3Ω.

Tabel 6.2: Meetresultaten bij RL = 6, 6Ω

Pset(W ) VN (V ) PN (W ) VT (V ) PT (W ) Vµ(V ) Pµ(W ) VL(V ) PL(W )

-200 220,7 214 227,3 209 221,2 204 6,1 6-400 220,1 429 234,1 421 221,5 399 11,7 21-600 220,0 660 239,7 647 222,2 600 17,6 48-800 220,3 815 244,4 807 222,7 735 21,6 71-1000 219,7 1055 249,7 1024 222,6 913 27,0 111-1200 X X X X X X X X200 223,8 197 213,3 201 219,4 206 6,3 6400 224,0 396 206,8 403 220,1 429 12,8 25600 223,4 614 197,1 631 218,9 700 20,9 67800 224,1 807 188,8 831 217,5 957 29,1 1281000 223,7 1118 170,2 1055 215,7 1337 45,2 2801200 X X X X X X X X



-200 217,7 207 224,9 202 222,3 200 2,9 3-400 217,4 391 228,3 388 222,3 378 5,7 10-600 217,0 608 232,0 615 222,7 590 8,5 23-800 216,8 802 235,9 802 224,0 762 11,4 39-1000 216,6 1018 237,5 998 223,6 939 14,0 59-1200 216,6 1300 241,1 1254 223,7 1163 17,2 89200 218,3 201 218,0 209 220,0 211 3,2 3400 219,0 394 213,0 405 220,1 418 6,3 12600 219,0 602 209,5 618 219,5 648 9,7 29800 220,3 815 205,8 823 219 ,2 877 13,3 531000 220,0 1012 201,7 1049 218,6 1137 17,0 881200 220,0 1225 198,5 1257 218,1 1308 21,2 127

Uiteraard zijn voorgaande metingen slechts statische metingen, en geven ze dus slechts zeerbeperkte informatie over het regelgedrag van de intelligente transformator. Daarom werden doormiddel van een meetcomputer metingen opgenomen van de waarden van VN , IN , PN , in vollelijn, VT , IL, PT , in streeplijn en Vµ, Pµ, in punt-streeplijn. Deze metingen werden opgenomenover een tijdspanne van 10 seconden. De eerste meting betreft een meting bij lijnweerstandRL = 3, 3Ω. In de regelaar werden volgende wenswaarden opgelegd:

PST = 0W ; 0 < t ≤ 0, 5PST = −800W ; 0, 5 < t ≤ 5, 8PST = 600W ; 5, 8 < t

(6.5)



PST (W ) VN (V ) PN (W ) VT (V ) PT (W ) Vµ(V ) Pµ(W ) VL(V ) PL(W )

-200 220,4 209 224,1 202 220,1 198 1,1 1-400 220,3 418 224,9 405 220,2 396 2,1 4-600 220,4 626 225,5 609 220,8 595 3,2 9-800 220,1 811 230,2 806 222,1 776 11,4 40-1000 219,7 1028 232,1 998 221,5 952 5,2 22-1200 219,3 1244 234,6 1220 221,8 1151 6,4 33200 221,1 203 218,8 210 220,4 212 1,6 2400 221,6 410 216,6 422 219,9 429 3,2 6600 222,6 646 214,7 666 219,7 681 4,7 15800 222,2 867 211,6 889 218,9 919 6,7 281000 221,4 1018 209,1 1046 217,2 1086 8,1 411200 221,5 1285 205,6 1295 216,1 1361 10,7 67

De respons wordt gegeven in figuur 6.4. Hieruit blijkt dat de regelaar vanaf 0,5 seconden despanning VT opvoert om een vermogen PT = −800W (streeplijn) te bekomen. Het vermogenPN (volle lijn) is lichtjes hoger dan PT (streeplijn), te wijten aan verliezen in de transformator.Het vermogen PT is dan weer wat hoger dan Pµ (punt-streeplijn), te wijten aan verliezen in delijnweerstand. In een tweede fase, vanaf 5,8 seconden, zal de spanning VT naar beneden geregeldworden om een vermogen PN = 600W (volle lijn) te bekomen. Ook hier zijn de verliezenzichtbaar, zij het in omgekeerde zin. Het valt ook op dat de spanningen VN (volle lijn) enVµ (punt-streeplijn) slechts weinig afwijken van hun nominale waarde, hier 223V , terwijl despanning VT zeer sterk kan varieren.

Om te vergelijken werd een meting bij lijnweerstand RL = 1, 65Ω uitgevoerd. In de regelaarwerden volgende wenswaarden opgelegd:

Pwens = 0W, 0 < t ≤ 0, 8Pwens = −800W, 0, 8 < t ≤ 4, 7Pwens = 600W, 4, 7 < t

(6.6)

De respons wordt gegeven in figuur 6.5. Ook hier tracht de regelaar in eerste instantie te regelennaar PT = −800W . De spanning VT ligt hier 8V hoger dan de nominale waarde om een vermogenvan −800W te bekomen, waar in de situatie met lijnweerstand RL = 3, 3Ω de spanning 13Vhoger lag dan de nominale waarde om hetzelfde vermogen van −800W te bekomen. Doordat despanning VT minder sterk moet varieren om eenzelfde vermogen uit te wisselen, is de regelingnu sneller. De lijnweerstand heeft dus ook een invloed op de snelheid van de regelkring. Watminder zichtbaar is, is dat de regeling nu minder makkelijk nauwkeurig uit te voeren wordt, eenlichte wijziging van de spanning VT heeft immers een redelijk grote impact op het overgedragenvermogen. Voorts valt ook het verminderen van de verliezen in de lijnweerstand op.

6.1.3 Verbeteren nauwkeurigheid

Om eventueel een verbetering van de regelnauwkeurigheid te verkrijgen werd een schakeling be-dacht waarbij de continue transformator in combinatie met een scheidingstransformator gebruiktwordt. Figuur 6.6 toont een schema van de gebruikte opstelling. Deze configuratie werd getestin step-down mode.


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−1000

−800

−600

−400

−200

0

200

400

600

800Actief Vermogen (W)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4Stromen (A)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10210

215

220

225

230

235

240Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 6.4: Regelgedrag bij continu transformator en RL = 3, 3Ω.(− = VN , IN , PN ;−− = VT , IL, PT ; ·− = Vµ, Pµ)

De meetresultaten zijn te vinden in tabel 6.5. Het maximale regelbereik is bepaald door de win-dingsverhouding van de scheidingstransformator. Dat maakt dat het instellen van de spanningveel nauwkeuriger zal kunnen gebeuren voor eenzelfde nauwkeurigheid van het aandrijfmecha-nisme, hetgeen bijvoorbeeld bepalend kan zijn bij het koppelen van een net met zeer lage lijnweer-stand. Belangrijk om op te merken is ook dat door de variabele spaartransformator slechts eenfractie van de totale stroom vloeit, namelijk die stroom die nodig is om een spanningsverhogingof -verlaging te bekomen.

Tabel 6.5: Meetresultaten variabele transformator in combinatie met scheidingstransformator

Belasting IA(A) IB(A) IC(A) ID(A)

181,10Ω 1,33 0,17 1,27 1,2841,97Ω 5,30 0,23 5,42 5,4925,90Ω 8,66 0,37 8,88 8,90


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−1000

−800

−600

−400

−200

0

200

400

600

800Actief Vermogen (W)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4Stromen (A)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10215

220

225

230

235Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 6.5: Regelgedrag bij continu transformator en RL = 1, 65Ω. (− = VN , IN , PN ;−− =VT , IL, PT ; ·− = Vµ, Pµ)

230VAC

240VAC

A C D

B



6.2 Discrete transformator

6.2.1 Concept

De discrete transformator wordt verwezenlijkt door een scheidingstransformator waarvan desecundaire wikkeling is voorzien van tussenaftakkingen en ze mee of tegen gekoppeld kan worden.Om het concept te valideren, werd de opstelling van figuur 6.7 gebouwd.

226VAC

238VAC

A

B

C

D


De spanning aan de ingang van de transformator bedraagt 238V , de spanning aan de uitgang226V . De stromen in A, aan de ingang van de transformator, de stromen in B, aan de ingangvan de primaire, de stromen in C, aan de ingang van de secundaire wikkeling en de stromenin D, aan de uitgang van de transformator, worden bij 8 verschillende resistieve belastingenopgemeten. De meetresultaten zijn te vinden in tabel 6.6.

Tabel 6.6: Meetresultaten validatie

Belasting IA(A) IB(A) IC(A) ID(A)

onbelast 0,21 0,19 0,01 0,00837Ω 0,41 0,17 0,27 0,27178Ω 1,30 0,17 1,26 1,2777Ω 3,00 0,20 2,90 2,9240Ω 5,30 0,25 5,50 5,6025Ω 8,40 0,50 8,80 8,9016Ω 13,40 0,70 14,00 14,1010Ω 21,20 1,00 22,40 22,50

Belangrijk om op te merken is dat de primaire van de transformator slechts een fractie van detotale stroom voert. De secundaire van de transformator voert een relatief hoge stroom. Wanneergebruik gemaakt wordt van een step-down transformator, vaak voorzien op hoge stromen aande secundaire kant, stelt er zich dus geen probleem.

6.2.2 Vermogensregeling tussen twee netten

De discrete transformator met aan/uit regeling wordt in de FPGA gerealiseerd door middel vande System Generator toolbox, die grafische modellen omzet naar HVDL-code, dewelke in deFPGA kan geladen worden. In figuur 6.8 werd een regelaar geprogrammeerd welke in de blok-jes Spanningsmeting en stroommeting spanningen en stromen binnen leest, die vervolgens in hetblokje P berekening omzet naar een gemiddelde waarde van het actief vermogen, en in het blokje


Opwaarts en Neerwaarts vergelijkt met de gewenste waarde voor het actief vermogen. Afhanke-lijk van deze vergelijking worden de uitgangen Opwaarts schakelaar en Neerwaarts schakelaaraangestuurd. De regeling werkt intermitterend, door een bevel op Out2 van het blokje RMSberekening V. De aan/uit tijdstippen werden instelbaar gemaakt. Metingen afkomstig van deblokjes RMS berekening V, RMS berekening I, Berekening P en Berekening Q, kunnen wordengeexporteerd dankzij het blokje Chipscope.


Om metingen tussen twee netten mogelijk te maken, werd de opstelling van figuur 6.9 gebouwd.Daarbij simuleert bron 1 het distributienet en bron 2 een DG-eenheid in het microgrid. Deopstelling werd aan de netzijde voorzien van een meting van spanning VN en stroom IN . Aande microgridzijde werd de intelligente transformator aan de klemmen voorzien van een span-ningsmeting VT . De intelligente transformator is hier door middel van een lijnweerstand RL enstroommeting IL verbonden aan bron 2. De spanning over bron 2 wordt gemeten door een span-ningsmeting Vµ. De metingen maken het ook mogelijk het actief vermogen PN op eenvoudigewijze te berekenen, vermits er geen faseverschillen bestaan tussen bron 1 en bron 2, en vermitser geen reactief vermogen in de keten gevraagd of geleverd wordt.

BR

ON

1:

SIM

ULA

TIE

NET

IN

VN

IL

VT

RL

Vµ

BR

ON

2:

SIM

ULA

TIE

µG

RID



Aan de intelligente transformator wordt ook PST doorgegeven. Voor PST gelden dezelfde con-venties als bij de continu transformator. Om de tabellen overzichtelijk te houden, werden deopgemeten stromen IN (A) en IL(A) ook hier niet weergegeven, hun respectievelijke vermogenswel.


Tabel 6.7 geeft metingen bij een lijnweerstand RL = 1, 65Ω. In vergelijking met de metingen bijde continu transformator bij |PST | = 200W zijn de verliezen in de transformator hier hoger. Vangemiddeld 6W bij de continu transformator, tot 12W bij de discrete transformator. Voorts zijnop basis van deze statische metingen geen belangrijke verschillen aantoonbaar tussen de werkingvan continu en discrete transformator als intelligente transformator.



-200 160,6 201 164,0 189 162 187 1,9 20 161,2 0 161,1 0 161 0 0,0 0200 162,1 203 157,7 213 160 216 2,2 3

Om ook het regelgedrag van de discrete transformator als intelligente transformator te kunnenbeschouwen, werden door middel van een meetcomputer metingen opgenomen van de waardenvan VN , IN , PN , in volle lijn, VT , IL, PT , in streeplijn en Vµ, Pµ, in punt-streeplijn. Deze me-tingen werden opgenomen over een tijdspanne van 10 seconden. De meting werd opgenomenin een opstelling met lijnweerstand RL = 1, 65Ω. In de regelaar werden volgende wenswaardenopgelegd:

Pwens = 0W, 0 < t ≤ 1, 1Pwens = 140W, 1, 1 < t ≤ 3, 2Pwens = 0W, 3, 2 < t ≤ 6Pwens = −140W, 3, 2 < t ≤ 8, 6Pwens = 0W, 8, 6 < t

(6.7)

De respons wordt gegeven in figuur 6.10. Vanaf 1,1 seconden wordt de spanning VT (streeplijn)door de regelaar naar beneden gebracht om een vermogen PT = 140W (streeplijn) te bekomen.Vanaf dat ogenblik zal de regelaar het vermogen trachten te regelen rond de wenswaarde. Echter,vermits de spanningswaarden discreet bereikt worden, wordt de fout nooit volledig weggewerkt,en blijft het vermogen dus schommelen rond de wenswaarde van 140W . Hier kan op twee manie-ren aan tegemoet gekomen worden. Er kan gekozen worden voor een regeling die regelt naar deminst grote fout, boven of onder de wenswaarde, en vanaf dat ogenblik niet meer regelt. Ook kanmen de schakelaars aan hoge snelheid laten schakelen, zodat alsnog, op vermogenelektronischewijze, een redelijk continu werkende transformator bekomen kan worden. Deze laatste zou echterbelangrijke verliezen met zich kunnen meebrengen. Het onderzoek naar deze oplossingen valtbuiten het bestek van deze thesis, hier wordt dus genoegen genomen met beperkte afwijkingenvan de wenswaarde. Het vermogen PN (volle lijn) is lichtjes lager dan PT (streeplijn), te wijtenaan verliezen in de transformator.

Vanaf 6 seconden wordt de spanning VT (streeplijn) door de regelaar naar boven gebracht omeen vermogen PT = −140W (streeplijn) te bekomen. Het vermogen PN (volle lijn) is nu lichtjeshoger dan PT (streeplijn), te wijten aan verliezen in de transformator.

De piek op 4,6 seconden doet zich voor als gevolg van het omschakelen van de stroomzin inde secundaire wikkeling van de scheidingstransformator. Deze piek werd beperkt door de om-schakeling pas onder een lage stroom door de schakelaars te laten plaatsvinden. Het beperkenvan de piek zou nog verder kunnen ontwikkeld worden door middel van schakelconfiguraties metweerstanden zoals gebruikt in OLTC’s van vermogentransformatoren. We gaan hier echter nietverder op in.


Ook opmerkelijk is dat in vergelijking met de continu transformator hier het vermogen veelsneller gestuurd kan worden naar de wenswaarde. Dit kan quasi onmiddellijk gebeuren. DeFPGA kan op basis van gemeten waarden onmiddellijk een setpunt bepalen voor de stand vande discrete transformator. In de hier uitgevoerde versie werd toch gekozen voor het doorlopenvan alle stappen van de transformator, zij het zeer snel, alvorens de gewenste stap te bekomen.Dit om zeer ernstige spannings- en vermogenspieken, als gevolg van een te bruuske omschakelingvan de stand, in te perken.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−250

−200

−150

−100

−50

0

50

100

150

200Actief vermogen (W)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5Stromen (A)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10156

157

158

159

160

161

162

163

164Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 6.10: Regelgedrag bij discrete transformator en RL = 1, 65Ω. (− = VN , IN , PN ;−− =VT , IL, PT )

6.3 Intelligente transformator met bijkomende spanningsgeba-seerde droopregeling

Opdat de intelligente transformator ook zou bijdragen aan een relatief stabiele spanning, kaneen P/V∆ droop regeling geımplementeerd worden in de FPGA, die werkt bovenop de regelingvan het vermogen. De droopregeling vergelijkt de gemeten waarde van VT met de nominalewaarde, hier gekozen op 115V , en sommeert dan het vermogen PST met P∆, waarbij 10W/Vingesteld werd:

P∆ = V∆ · 10W = (115V − VT ) · 10W (6.8)

Om het principe van de droopregeling te verklaren, werd een meting opgenomen door middelvan een meetcomputer, waarbij de intelligente transformator ingesteld wordt op PST = 0W , om


voornamelijk de droopregeling te kunnen beschouwen. In figuur 6.11 werd de eerste 15 secondengemeten met een standaard vermogensregeling zonder bijkomende P/V∆ droop regeling. Pastussen 15 en 30 seconden werd de droop regeling actief gemaakt, om vergelijken tussen de regelingmet en zonder droop regeling mogelijk te maken. Aan de spanningsbron die het microgridvoorsteld werden volgende wenswaarden opgelegd:

Vµ = 115V ; 0 < t ≤ 2, 5Vµ = 102V ; 2, 5 < t ≤ 8, 5Vµ = 127V ; 8, 5 < t ≤ 15Vµ = 115V ; 15 < t ≤ 17, 5Vµ = 100V ; 17, 5 < t ≤ 22, 5Vµ = 123V ; 22, 5 < t ≤ 30

(6.9)

In de situatie bij de eerste 15 seconden, dus zonder P/V∆ droop regeling, valt op dat de regelaarbij afwijkingen van Vµ het overgedragen vermogen tracht te regelen naar 0W . Vermits ditneerkomt op het vermijden van spanningsverschillen tussen transformator en bron 2, gedraagtde intelligente transformator zich dus als een spanningsregelaar, die de spanning aan bron 2tracht te volgen, of dus VT ≈ Vµ. De vermogensstijging is slechts tijdelijk, en wordt veroorzaaktdoor de traagheid van de regeling. Na 15 seconden wordt de droopregeling actief en wordenopnieuw afwijkingen aangelegd op de nominale waarde van Vµ. Nu is er wel een blijvendewijziging van het vermogen. Indien de spanning van bron 2 daalt, hier tot ongeveer 100V , zalde intelligente transformator bijkomend vermogen in het microgrid injecteren. Dit bijkomendvermogen zorgt voor een hogere spanning VT , die dus minder sterk afwijkt dan bij de situatiezonder droop regeling. Ook bij de verhoging van Vµ is een minder sterke afwijking op VT vastte stellen als dewelke zou kunnen verwacht worden bij VT ≈ Vµ. De intelligente transformatormet P/V∆ droop regeling kan dus ingezet worden om spanningsafwijkingen in het microgrid tebeperken tot een aanvaardbaar niveau.

Om na te gaan hoe de droopregeling werkt in situaties waarbij er wel een vermogen uitgewisseldwordt, werden twee tabellen opgemeten. Tabel 6.8 geeft de meetresultaten bij een regulierevermogensregeling met RL = 1, 32Ω. Bij PST = −200W wordt een afwijking op Vµ van ongeveer10V onder-, en vervolgens 10V boven de nominale waarde aangelegd. Vermits het vermogennagenoeg niet wijzigt, ondergaat de spanning VT ook een zeer sterke afwijking, hier ongeveer10V onder-, en vervolgens 10V boven de nominale waarde. Tabel 6.9 geeft de meetresultatenbij een vermogensregeling met bijkomende droopregeling, waarbij 10W/V ingesteld werd. Delijnweerstand is ook hier RL = 1, 32Ω. Bij PST = −200W wordt een afwijking op Vµ vanongeveer 10V onder-, en vervolgens 10V boven de nominale waarde aangelegd. Vermits deintelligente transformator nu reageert op deze spanningswijzigingen, ondergaat de spanning VTin verhouding een minder grote spanningswijziging, hier ongeveer 9V onder-, en vervolgens 9Vboven de nominale waarde. Het verschil is merkbaar, maar brengt slechts lichte verbetering in hetbeperken van spanningsafwijkingen in het microgrid, vermits de instelling van de droopregelingmet 10W/V slechts een relatief kleine aanpassing aan het vermogen kan verwezenlijken.

Tabel 6.8: Meetresultaten bij RL = 1, 32Ω zonder P/Vg droop


0 115,0 0 115,0 0 116,0 0 1,0 1-200 113,3 210 118,5 201 116,5 198 2,0 3-200 112,6 211 108,7 202 106,2 204 2,5 5-200 112,6 214 128,5 204 126,2 209 2,3 4


0 5 10 15 20 25 30−400

−300

−200

−100

0

100


0 5 10 15 20 25 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3Stromen (A)

0 5 10 15 20 25 3095

100

105

110

115

120

125

130Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 6.11: Regelgedrag bij continu transformator en RL = 1, 32Ω. (− = VN , IN , PN ;−− =VT , IL, PT )

Tabel 6.9: Meetresultaten bij RL = 1, 32Ω met P/Vg droop


0 115,0 0 115,0 0 116,2 0 1,2 1-200 113,4 164 119,8 174 118,2 171 1,6 2-200 113,0 271 111,2 267 108,2 260 3,0 7-200 114,6 63 128,6 64 128,2 64 0,4 0

6.4 Besluit

In dit hoofdstuk werd een praktische realisatie van zowel een continue als een discrete intelligentetransformator gebruikt om vermogens tussen twee netten te regelen. Beide principes blijken tekunnen functioneren als regelorgaan voor het vermogen. Vanzelfsprekend kan de transformatorslechts het vermogen overdragen waarvoor hij ontworpen is. Toch is nog een beperking op hetvermogen dat kan worden geregeld vastgesteld, deze beperking is afkomstig van de beperkingenop spanningsniveaus en de lijnweerstand in de keten. Is de lijnweerstand hoog, dan zal de regel-werking van de intelligente transformator sneller door zijn bovenste- of onderste spanningslimietgestopt worden in de betrachting eenzelfde wensvermogen te bereiken dan het geval is bij eenlagere lijnweerstand.

De lijnweerstand is dus idealiter redelijk laag, maar niet te laag. Een te lage weerstand zou


immers een zeer onstabiele werking opleveren, vermits slechts een zeer beperkte spanningsvariatieal zeer grote vermogensverschillen kan veroorzaken. Uit experimenten werd afgeleid dat eenweerstandswaarde gelegen tussen 1Ω en 2Ω ideaal is. In het volgende hoofdstuk zal dan ook metdergelijke lijnweerstand gewerkt worden.

De discrete transformator biedt het belangrijke voordeel dat de vermogensregeling zeer snelverloopt. Nadelig is wel dat de transformator de vermogenswenswaarde slechts bij benaderingbereikt, er blijft dus een (lichte) fout bestaan. Aan dit nadeel zou kunnen verholpen wordendoor het afwisselend schakelen van de schakelaars tussen twee posities waartussen het wens-vermogen zich bevindt, dit onderzoek valt echter buiten het bereik van deze thesis. In hetvolgende hoofdstuk wordt dus genoegen genomen met een lichte afwijking ten opzichte van hetwensvermogen.

In dit hoofdstuk werd een eerste maal de mogelijkheid van het implementeren van een bijko-mende spanningsgebaseerde droopregeling aangebracht. Deze bijkomende regeling maakt datde intelligente transformator ingezet kan worden om spanningsafwijkingen te beperken tot eenaanvaardbaar niveau, vermits spanningsafwijkingen gecompenseerd worden door het injecterenof extraheren van vermogen. In het volgende hoofdstuk zal hierop worden verder gegaan bijimplementatie van de intelligente transformator in een microgrid.

Hoofdstuk 7

Implementatie

7.1 Opbouw

In dit hoofdstuk gaan we in op de koppeling van de intelligente transformator met een microgrid.Om metingen tussen twee netten mogelijk te maken, werden de opstellingen van figuur 7.1 enfiguur 7.2 gebouwd. Daarbij simuleert bron 1 het distributienet en bron 2 een DG-eenheid inhet microgrid. De opstellingen werden aan de netzijde voorzien van een meting van spanningVN en stroom IN . Aan de microgridzijde werd de intelligente transformator aan de klemmenvoorzien van een spanningsmeting V1. De intelligente transformator is hier door middel vaneen stroommeting I1 en een lijnweerstand R1 = 1, 32Ω en verbonden aan een last ZL waarovereen spanningsmeting V3 geplaatst werd. De last is tevens via een lijnweerstand R2 = 1, 32Ωen een stroommeting I2 verbonden aan een simulatie van een DG-eenheid, waarover een span-ningsmeting V2 geplaatst is. De simulatie van een DG-eenheid op zich bestaat uit een bron diekan ingesteld worden als gelijkspannings- of gelijkstroombron, een omvormer die voorzien werdvan een spanningsgebaseerde droopregeling, en uit een uitgangsfilter gevormd door L1 = 2mH,L2 = 2mH en C1 = 5µF . De bron wordt via een stroommeting IDC aangesloten op de omvor-mer, over de omvormer wordt een spanningsmeting VDC aangesloten. De metingen maken hetook mogelijk volgende vermogens te berekenen:

SN = VN · INS1 = V1 · I1

S2 = V2 · I2

S3 = V3 · I3

PDC = VDC · IDC

(7.1)

Waarbij S duidt op schijnbaar vermogen en P duidt op actief vermogen. De twee figuren zijnnagenoeg identiek, met uitzondering van het transformatordeel. Figuur 7.1 maakt gebruik vaneen continu transformator, terwijl figuur 7.2 gebruik maakt van een discrete transformator. Inwat volgt zal regelmatig naar deze figuren worden verwezen.

7.2 Smart transformer gekoppeld aan microgrid met onbeperktbelastbare DG-eenheid

7.2.1 Vaste last, variabele wenswaarde

De opstelling van figuur 7.1 wordt uitgerust met een last ZL = 60Ω. De wenswaarde PST van deintelligente transformator wordt respectievelijk op 0W , −200W en 200W ingesteld. De bijho-rende metingen werden in tabel 7.1 en figuur 7.3 opgenomen. Bij de wenswaarde PST = −200W ,zal de intelligente transformator een vermogensstroom van 200W richting last veroorzaken. De

86

Hoofdstuk 7. Implementatie 87

BR

ON

1:

NET

IN

VN

I1

V1

R1

V2

BR

ON

2:

LOK

ALE

PR

OD

UC

TIE


R2

V3

I2

OM

VO

RM

ER

MET D

RO

OP

L1

L2

C1

IDC

VDC

SIMULATIE VAN DG-EENHEID

ZL

Figuur 7.1: Opstelling voor vermogensregeling tussen twee netten bij gebruik van een continue intelli-gente transformator

BR

ON

1:

NET

IN

VN

I1

V1

R1

V2

BR

ON

2:

LOK

ALE

PR

OD

UC

TIE

R2

V3

I2

OM

VO

RM

ER

MET D

RO

OP

L1

L2

C1

IDC

VDC

SIMULATIE VAN DG-EENHEID


ZL

Figuur 7.2: Opstelling voor vermogensregeling tussen twee netten bij gebruik van een discrete transfor-mator

DG-eenheid reageert hierop door zijn uitgangsvermogen te verminderen. Waar aanvankelijkongeveer 200W geleverd werd door de DG-eenheid, is dit nu nog slechts ongeveer 20W . Ditwordt gerealiseerd doordat de spanning V1 groter wordt dan de spanning V2, die nu te laag isten opzichte van V3 om een groot deel van het vermogen te kunnen leveren. Het grootste deelvan het vermogen zal dus van de intelligente transformator komen, vermits de spanning V1 welhoger is dan V3.

Uit de vergelijking tussen tabel 7.1 en figuur 7.3 is duidelijk op te maken dat er in de opstellingreactief vermogen wordt uitgewisseld. Zo werd bijvoorbeeld ondanks de wenswaarde PST = 0W ,en de bijhorende meting van PT = 0W , in de opstelling toch een schijnbaar vermogen SN =69V A gemeten.

Voorts valt ook het verband op tussen V1 en het geleverde of onttrokken vermogen. Om bijvoor-beeld P1 = −200W te bekomen, moet de intelligente transformator de spanning V1 ongeveer6V groter maken dan zijn spanningswaarde waarbij P1 = 0W . Om dan weer P1 = 200W tebekomen, moet de intelligente transformator de spanning V1 ongeveer 6V kleiner maken danzijn waarde bij P1 = 0W . Als gevolg hiervan is ook de spanning over de last, V3, afhankelijk vanP1. Wanneer P1 = −200W , zal de spanning V3 ongeveer 3V groter worden dan zijn spannings-waarde waarbij P1 = 0W . Bij P1 = 200W zal de spanning V3 ongeveer 3V kleiner worden danzijn waarde bij P1 = 0W .

Tabel 7.1: Meetresultaten bij variabele wenswaarde PST in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω enZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbare DG-eenheid

PST (W ) VN (V ) SN (V A) V1(V ) S1(V A) V2(V ) S2(V A) V3(V ) S3(V A) PDC(W )

0 114,8 69 110,2 77 113,3 238 110,3 203 240-200 113,5 216 116,0 203 113,7 91 113,4 214 30200 115,9 232 104,1 224 113,3 453 107,7 193 480


0 2 4 6 8 10 12 14−500

−400

−300

−200

−100

0

100

200


0 2 4 6 8 10 12 140

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4Stromen (A)

0 2 4 6 8 10 12 14102

104

106

108

110

112

114

116

118Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.3: Verloop van meetwaarden bij variabele wenswaarde PST in de opstelling met R1 = R2 =1, 32Ω en ZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbareDG-eenheid (− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

7.2.2 Variabele last, vaste wenswaarde

Om het gedrag van de keten te analyseren bij een varierende last P3 werd de opstelling vanfiguur 7.1 voorzien van een variabele last ZL. Deze last werd ingesteld op respectievelijk100W ,200W ,300W en 400W .

Tabel 7.2 en figuur 7.4 geven de resultaten bij PST = 0W . Hier is duidelijk dat de omvormernagenoeg al het gevraagd actief vermogen levert, P2 volgt P3 immers feilloos. Er wordt nagenoeggeen actief vermogen uitgewisseld tussen distributienet en microgrid. Voor het reactief vermogenblijkt er echter wel een koppeling, vermits S1 steeds een beduidende waarde aangeeft, waar P1

steeds nul is.

Tabel 7.3 en figuur 7.5 geven de resultaten bij PST = −200W . De transformator levert steeds200W naar het microgrid, P1 ≈ −200W . Bij de afname van P3 = −100W , wordt vermogenopgenomen in de zin van de omvormer, P2 ≈ 60W . Dit vermogen wordt in de omvormer


Tabel 7.2: Meetresultaten bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω en PST = 0W ,een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbare DG-eenheid


0 115,0 111 111,2 72 113,0 153 111,6 100 1200 115,1 112 110,9 78 113,2 226 110,8 200 2200 115,0 109 109,4 82 113,3 329 109,5 300 340

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−350

−300

−250

−200

−150

−100

−50

0


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3Stromen (A)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10108

109

110

111

112

113

114Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.4: Verloop van meetwaarden bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω enPST = 0W , een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbare DG-eenheid(− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

opgenomen, vermits PDC = 0W . In deze werkingstoestand valt ook op dat de spanning V1

relatief hoog is. Deze spanning kan zeer hoog worden, maar wordt hier ietwat beperkt door hetopgenomen vermogen P2. Zou de omvormer geen vermogen opnemen, dan zou de intelligentetransformator de spanning V1 naar zijn maximum regelen, vermits het vermogen van PST =−200W dan nooit gehaald kan worden. Bij P3 = −200W neemt de intelligente transformator


nagenoeg alle vermogen op, P3 = −200W ≈ P1 en P2 ≈ 0W . Bij P3 = −300W verdelen deintelligente transformator en de omvormer het gevraagde vermogen onder elkaar, P1 ≈ −200Wen P2 ≈ −100W .

Tabel 7.3: Meetresultaten bij variabele last ZL in de opstelling metR1 = R2 = 1, 32Ω en PST = −200W ,een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbare DG-eenheid


-200 114,3 119 119,0 161 116,2 93 116,5 100 0-200 114,5 116 116,2 209 113,8 91 113,6 200 20-200 114,3 115 115,1 213 113,7 148 112,2 300 140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−300

−250

−200

−150

−100

−50

0

50


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3Stromen (A)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111

112

113

114

115

116

117

118

119Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.5: Verloop van meetwaarden bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ωen PST = −200W , een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbareDG-eenheid (− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

Tabel 7.4 en figuur 7.6 geven de resultaten bij PST = 200W . De intelligente transformator levert


200W naar het distributienet, P1 ≈ 200W , onafhankelijk van wat in het microgrid gebeurt. Deomvormer levert steeds de som van hetgeen gevraagd wordt door intelligente transformator ende last, immers |P2| ≈ |P1|+ |P3|.

Tabel 7.4: Meetresultaten bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω en PST = 200W ,een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbare DG-eenheid


200 116,6 222 105,5 227 113,1 339 109,1 100 340200 116,7 210 104,7 220 113,2 447 108,0 200 500200 116,7 210 102,8 221 113,1 566 106,5 300 600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−600

−500

−400

−300

−200

−100

0

100

200


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5Stromen (A)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10102

104

106

108

110

112

114Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.6: Verloop van meetwaarden bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ωen PST = −200W , een continue intelligente transformator en een onbeperkt belastbareDG-eenheid (− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))


7.3 Smart transformer gekoppeld aan microgrid met beperktbelastbare DG-eenheid

7.3.1 Vaste last, variabele wenswaarde

De opstelling van figuur 7.1 wordt uitgerust met een last ZL = 60Ω. De wenswaarde PST van deintelligente transformator wordt respectievelijk op 0W , −200W en 200W ingesteld. De bijho-rende metingen werden in tabel 7.5 en figuur 7.7 opgenomen. Bij de wenswaarde PST = −200W ,zal de intelligente transformator een vermogensstroom van 200W richting last veroorzaken. DeDG-eenheid reageert hierop door zijn uitgangsvermogen te verminderen, de werking is gelijkaar-dig als in figuur 7.3. Waar aanvankelijk ongeveer 200W geleverd werd door de DG-eenheid, isdit nu nog slechts ongeveer 20W . Dit wordt gerealiseerd doordat de spanning V1 groter wordtdan de spanning V2, die nu te laag is ten opzichte van V3 om een groot deel van het vermogen tekunnen leveren. Het grootste deel van het vermogen zal dus van de intelligente transformatorkomen, vermits de spanning V1 wel significant hoger is dan V3. Voorts lijken ook alle waar-nemingen met betrekking tot spanningen en reactief vermogen uit tabel 7.1 en figuur 7.3 ookhier van toepassing. Waarin deze meting hiervan echter belangrijk verschilt, is de situatie bijPST = 200W . De spanning V2 zakt hier meer dan 6V onder de waarde die gemeten werd bijPST = 0W . De verklaring dient gezocht in het beperkte vermogen dat door de omvormer gele-verd kan worden. Waar in tabel 7.1 nog PDC = 480W , resulterend in een vermogen P2 ≈ 430Win figuur 7.3, wordt in tabel 7.5 nog slechts PST = 443W opgemeten, resulterend in een vermo-gen P2 ≈ 400W , wat niet zou volstaan om het totaalvermogen van |P3| = 220W bij V3 = 115Ven |P1| = 200W en de verliezen te dekken. Echter, doordat de spanning aan de uitgang van deomvormer daalt, V2 = 107, 6V , daalt ook de spanning over de belasting, V3 = 102, 3V . Hierdoorzal ook het vermogen opgenomen door de last dalen, waardoor de vermogensbalans terug inevenwicht is.

P3 =U2

3

ZL=

102, 3V 2

60Ω= 173, 4W (7.2)

De omvormer wordt dus geconfronteerd met een vermogenslimiet, waardoor zijn uitgangsspan-ning daalt en waardoor ook het opgenomen vermogen in de keten lichtjes daalt.

Tabel 7.5: Meetresultaten bij variabele wenswaarde PST in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω enZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid


0 114,3 74 110,4 250 113,5 204 110,6 216 220-200 113,0 203 116,2 198 114,0 91 113,5 215 40200 115,3 219 98,4 221 107,6 430 102,3 174 443

7.3.2 Variabele last, vaste wenswaarde

Om het gedrag van de keten te analyseren bij een varierende last P3 werd de opstelling vanfiguur 7.1 voorzien van een variabele last ZL. Deze last werd ingesteld op respectievelijk100W ,200W ,300W en 400W .

Tabel 7.6 en figuur 7.8 geven de resultaten bij PST = 0W . Hier is duidelijk dat de omvormernagenoeg alle gevraagd actief vermogen levert, P2 volgt P3. Er wordt nagenoeg geen actiefvermogen uitgewisseld tussen distributienet en microgrid. Voor het reactief vermogen blijkt erechter wel een koppeling, vermits S1 steeds een beduidende waarde aangeeft, waar P1 steedsongeveer nul is.


0 2 4 6 8 10 12 14−500

−400

−300

−200

−100

0

100

200


0 2 4 6 8 10 12 140

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4Stromen (A)

0 2 4 6 8 10 12 1496

98

100

102

104

106

108

110

112

114

116

118Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.7: Verloop van meetwaarden bij variabele wenswaarde PST in de opstelling met R1 = R2 =1, 32Ω en ZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en een beperkt belastbareDG-eenheid (− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

Tabel 7.6: Meetresultaten bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω en PST = 0W ,een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid

PST (W ) VN (V ) SN (V A) V1(V ) S1(V A) V2(V ) S2(V A) V3(V ) P3(W ) PDC(W )

0 113,5 79 111,3 72 112,9 135 111,6 100 1200 114,0 74 109,9 88 112,7 248 110,4 200 2600 114,0 68 108,2 70 112,4 337 108,3 300 338

Tabel 7.7 en figuur 7.9 geven de resultaten bij PST = −200W . De transformator tracht 200Wnaar het microgrid te leveren, P1 ≈ −200W . Bij de afname van P3 = −100W , wordt evenvermogen opgenomen in de zin van de omvormer Dit vermogen valt echter snel terug naarnul. De spanning V1 wordt nu door de intelligente naar zijn maximum geregeld, vermits hetvermogen van PST = −200W nooit gehaald kan worden. Bij P3 = −200W zorgt de intelligente


0 2 4 6 8 10 12 14−350

−300

−250

−200

−150

−100

−50

0


0 2 4 6 8 10 12 140

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5Stromen (A)

0 2 4 6 8 10 12 14106

107

108

109

110

111

112

113

114Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.8: Verloop van meetwaarden bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω enPST = 0W , een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid(− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

transformator nagenoeg voor de toelevering van alle vermogen, P3 = −200W ≈ P1 en P2 ≈ 0W .Bij P3 = −300W verdelen de intelligente transformator en de omvormer het gevraagde vermogenonder elkaar, P1 ≈ −200W en P2 ≈ −100W .

Tabel 7.7: Meetresultaten bij variabele last ZL in de opstelling metR1 = R2 = 1, 32Ω en PST = −200W ,een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid


-200 113,2 198 130,0 143 117,2 88 116,7 100 0-200 112,5 202 116,8 193 114,1 80 113,8 200 30-200 113,0 203 114,5 195 113,4 164 111,7 300 140

Tabel 7.8 en figuur 7.10 geven de resultaten bij PST = 200W . De intelligente transformator


0 2 4 6 8 10 12 14−350

−300

−250

−200

−150

−100

−50

0

50


0 2 4 6 8 10 12 140

0.5

1

1.5

2

2.5

3Stromen (A)

0 2 4 6 8 10 12 14110

112

114

116

118

120

122

124

126

128

130

132Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.9: Verloop van meetwaarden bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ωen PST = −200W , een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid (− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

tracht 200W te leveren naar het distributienet, onafhankelijk van wat in het microgrid gebeurt.Ook hierbij geldt de betrekking |P2| ≈ |P1| + |P3|. Vanaf P3 = −300W valt het echter op dathet aan het distributienet geleverde vermogen het wensvermogen, PST = 200W , niet haalt. Hetvermogen geleverd door de omvormer blijft immers beperkt, P2 ≈ 480W , wat niet voldoendeis om het gevraagde vermogen van distributienet, de last en de verliezen in lijnweerstanden tedekken. Het aan het distributienet geleverde vermogen wordt dan ook automatisch beperkt totP1 ≈ 130W .

7.4 Discrete transformator gekoppeld aan microgrid met eenbeperkt belastbare DG-eenheid

De opstelling van figuur 7.2 wordt uitgerust met een last ZL = 60Ω. De wenswaarde PSTvan de intelligente transformator wordt respectievelijk op 0W , −60W en 60W ingesteld. De


Tabel 7.8: Meetresultaten bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω en PST = 200W ,een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid


200 115,2 207 104,2 219 111,9 347 107,7 100 357200 115,2 207 92,8 213 102,5 451 96,4 200 481200 X X X X X X X X X

0 2 4 6 8 10 12 14−500

−400

−300

−200

−100

0

100

200


0 2 4 6 8 10 12 140

1

2

3

4

5

6Stromen (A)

0 2 4 6 8 10 12 1485

90

95

100

105

110

115Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.10: Verloop van meetwaarden bij variabele last ZL in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ωen PST = 200W , een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid (− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

bijhorende metingen werden in tabel 7.9 en figuur 7.11 opgenomen. Het valt op dat de discretetransformator op gelijkaardige wijze functioneert als zijn continue variant. Merk op dat infiguur 7.11 voornamelijk de functie van de transformator als regelorgaan van het vermogennagegaan wordt, en dus metingen over de transformator, namelijk PN en P1 werden opgenomen,in plaats van de gebruikelijke metingen in het microgrid.


Tabel 7.9: Meetresultaten bij variabele wenswaarde PST in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω enZL = 60Ω, een discrete intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid


0 107,1 54 108,2 76 111,2 222 108,7 197 260-60 106,8 75 110,1 88 111,3 161 109,2 199 14060 107,8 108 106,4 133 111,2 289 107,3 192 300

0 2 4 6 8 10 12 14−80

−60

−40

−20

0

20

40

60

80


0 2 4 6 8 10 12 14104

105

106

107

108

109

110

111

112Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.11: Verloop van meetwaarden bij variabele wenswaarde PST in de opstelling met R1 = R2 =1, 32Ω en ZL = 60Ω, een discrete intelligente transformator en een beperkt belastbareDG-eenheid (− = VN , PN ;−− = V1, P1; ·− =, V3))


7.5 Intelligente transformator met bijkomende spanningsgeba-seerde droopregeling gekoppeld aan microgrid met beperktbelastbare DG-eenheid

De opstelling van figuur 7.1 wordt uitgerust met een last ZL = 15Ω. De wenswaarde PST vande intelligente transformator wordt ingesteld op −200W , de omvormer werd beperkt in vermo-gen om een beperkt regelbare DG-eenheid te simuleren. In tabel 7.10 werd in de eerste rij eenmeting opgenomen waarbij de intelligente transformator met de bestaande vermogensregelingwerkt. Het valt op dat de spanningen in het microgrid hier zeer laag zijn. De DG-eenheid kanonvoldoende tegemoet komen aan de behoefte in het net, waardoor de spanning sterk daalt. Inde tweede rij van tabel 7.10 werd een meting opgenomen waarin, naast de bestaande vermo-gensregeling, ook een P/V∆ droop regeling geımplementeerd werd opgenomen in de FPGA. Dedroopregeling vergelijkt de gemeten waarde van VT met de nominale waarde, hier gekozen op115V , en sommeert dan het vermogen PST met P∆, waarbij 10W/V ingesteld werd:

P∆ = V∆ · 10W = (115V − VT ) · 10W (7.3)

Het resultaat is dat de spanning in het microgrid stijgt, als gevolg van een bijkomende injectievan vermogen vanuit het distributienet. De P/V∆ droop regeling zorgt dus voor een positiefeffect op de spanningsstabiliteit in het microgrid.

Bij de meting van figuur 7.12 werden dezelfde voorwaarden opgelegd aan de opstelling. Inde eerste 5 seconden werkt de regelkring zonder P/V∆ droop regeling en met de zware lastZL = 15Ω. Het gevolg is een zeer lage spanning bij de eindverbruiker V 3 ≈ 95V . Na 5seconden wordt de droopregeling actief en stijgt dus het vermogen geleverd door de intelligentetransformator, de regelkring bereikt een evenwicht wanneer de spanning V1 ongeveer 10V onderde nominale waarde van 115V gelegen is. Het geleverd vermogen zal nu P∆ hoger liggen dan|PST |.

P∆ = V∆ · 10W = (115V − 105V ) · 10W = 100W (7.4)

Dat brengt het aan het microgrid geleverd vermogen op ongeveer 300W . Het bijkomend ge-leverd vermogen zal in het microgrid voor een merkbare spanningsverhoging zorgen, zo is indit geval de spanning aan de verbruiker V3 gestegen van ongeveer 95V naar ongeveer 100VDe intelligente transformator met bijkomende P/V∆ droop regeling kan dus ingezet worden omspanningsafwijkingen in het microgrid beperken tot een aanvaardbaar niveau.

Tabel 7.10: Meetresultaten voor en na het inschakelen van een bijkomende spanningsgebaseerde droop-regeling in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω, ZL = 15Ω en PST = −200W , een continueintelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid

V BD? VN (V ) SN (V A) V1(V ) S1(V A) V2(V ) S2(V A) V3(V ) S3(V A) PDC(W )

N 113,4 204 99,2 193 102,3 471 102,3 698 498J 113,1 288 105,0 289 106,4 447 106,4 755 456


0 2 4 6 8 10 12 140

100

200

300

400

500

600


0 2 4 6 8 10 12 140

1

2

3

4

5

6

7Stromen (A)

0 2 4 6 8 10 12 1490

92

94

96

98

100

102

104

106

108

110Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.12: Verloop van meetwaarden voor en na het inschakelen van een bijkomende spannings-gebaseerde droopregeling in de opstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω, ZL = 15Ω enPST = −200W , een continue intelligente transformator en een beperkt belastbare DG-eenheid (− = V1, I1, P1;−− = V2, I2, P2; ; ·− =, V3, I3, P3))

7.6 Netspanningsvariaties

7.6.1 Netspanningsvariaties bij continu TFO

Om het gedrag van de keten te analyseren bij een varierende spanning van het distributienet VNwerd in de opstelling van figuur 7.1 bron 1 variabel gemaakt. Er worden metingen uitgevoerdwaarbij VN achtereenvolgens de nominale waarde, 10V onder de nominale en 10V boven denominale waarde ingesteld wordt, en dit bij verschillende waarden van PST .

Tabel 7.11 geeft meetresultaten voor een situatie met niet gelimiteerde DG eenheid. Daarbij valtop dat de spanning V1 voor eenzelfde instelling van het vermogen PST steeds nagenoeg hetzelfdeblijft, ongeacht de spanning van het distributienet. Er is hier dus geen verband meer tussen despanning aan de zijde van het distributienet VN en de spanning aan de zijde van het microgridV1.


Tabel 7.11: Meetresultaten bij variabele netspanning VN en verschillende waarden van PST in de op-stelling met R1 = R2 = 1, 32Ω en ZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en eenonbeperkt belastbare DG-eenheid


0 115,2 69 110,2 77 113,2 232 110,6 204 2200 104,9 58 109,3 77 112,2 230 109,9 201 2200 125,1 63 109,6 77 112,4 236 109,9 201 220

-200 115,3 196 115,5 202 113,3 91 112,8 212 40-200 105,0 200 115,6 197 113,3 85 112,9 212 40-200 125,0 194 115,5 196 113,4 85 112,9 212 40200 115,2 219 103,2 227 112,2 449 106,8 190 460200 105,1 210 103,5 217 112,3 427 107,1 191 460200 125,3 213 103,5 223 112,3 438 107,1 191 460

Tabel 7.12 geeft meetresultaten voor een situatie met een DG-eenheid met beperkt vermogen.Ook hier is geen verband tussen de spanning aan de zijde van het distributienet VN en despanning aan de zijde van het microgrid V1. Bij de instelling van het vermogen op PST = 200Wis te zien dat de beperking op het door de DG-eenheid geleverde vermogen in werking treedt.De spanning V2 is hier merkbaar lager dan in tabel 7.11, wat ook een daling in de spanning V1

tot gevolg heeft.

Tabel 7.12: Meetresultaten bij variabele netspanning VN en verschillende waarden van PST in de op-stelling met R1 = R2 = 1, 32Ω en ZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en eenbeperkt belastbare DG-eenheid


0 115,0 63 110,7 77 113,5 238 110,7 204 2200 105,0 58 110,6 77 113,6 239 110,7 204 2200 125,2 63 110,6 77 113,5 238 110,8 205 220

-200 115,2 190 115,7 191 112,9 90 113,6 215 60-200 105,1 200 116,2 203 113,8 85 113,5 215 40-200 125,1 200 115,9 203 113,7 85 113,2 214 60200 115,0 207 99,0 218 107,8 431 102,7 176 443200 105,0 205 100,5 211 108,8 413 103,8 179 427200 125,0 206 99,5 219 108,1 422 102,9 176 444

In figuur 7.13 werd een daling van VN = 125V naar VN = 105V aangelegd bij een ingesteldvermogen van PST = 0W . Daarbij valt op dat de spanning aan de microgridzijde V1 en despanning over de last V3 hiervan nagenoeg geen invloed ondervinden. Vermogens werden hiersteeds positief weergegeven om het opmerken van kleine verschillen mogelijk te maken. De piekjesin de vermogens |PN | en |P1| zijn afkomstig van bruuske spanningsdalingen, maar worden relatiefsnel door de intelligente transformator weggewerkt.

In figuur 7.14 werd een daling van VN = 125V naar VN = 105V aangelegd bij een ingesteldvermogen van PST = −200W . Ook hier ondervindt de spanning aan de microgridzijde V1

en de spanning over de last V3 geen invloed van de spanningswijziging aan de zijde van hetdistributienet VN .

In figuur 7.15 werd een daling van VN = 125V naar VN = 105V aangelegd bij een ingesteld


0 2 4 6 8 10 12 140

5

10

15

20

25

30

35


0 2 4 6 8 10 12 14100

105

110

115

120

125

130Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.13: Verloop van meetwaarden bij variabele netspanning VN en PST = 0W in de opstelling metR1 = R2 = 1, 32Ω en ZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en een beperktbelastbare DG-eenheid (− = V1, |P1|;−− = VN , |PN |; ·− = V3))

vermogen van PST = 200W . Ook hier ondervindt de spanning aan de microgridzijde V1 en despanning over de last V3 geen invloed van de spanningswijziging aan de zijde van het distribu-tienet VN .

7.6.2 Netspanningsdips bij discrete TFO

Om het gedrag van de keten te analyseren bij spanningsdips in de spanning van het distributienetVN werd in de opstelling van figuur 7.1 bron 1 uitgevoerd door middel van een netspannings-simulator en werd een last aangelegd van ZL = 80Ω. De omvormer werd uitgeschakeld, om desituatie zo ernstig mogelijk te maken. De netspanningssimulator werd geprogrammeerd om eenspanningsdip van 10% te genereren op een termijn van 0,3 seconden, vervolgens 0,1 seconde opdeze waarde te blijven om nadien terug de oorspronkelijke waarde aan te nemen op een termijnvan 0,3 seconden. Het gedrag van deze kring werd in figuur 7.16 weergegeven. Van zodra despanning daalt, tracht de discrete transformator stapsgewijs zijn uitgangsspanning V1 bij te re-


0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

140

160

180


0 2 4 6 8 10 12 14100

105

110

115

120

125

130Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.14: Verloop van meetwaarden bij variabele netspanning VN en PST = −200W in de opstellingmet R1 = R2 = 1, 32Ω en ZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en eenbeperkt belastbare DG-eenheid (− = V1, |P1|;−− = VN , |PN |; ·− = V3))

gelen om het vermogen P1 zo stabiel mogelijk te houden. Het gevolg is dat een spanningsdip van10% aan de netzijde VV , een afwijking van minder dan 1% teweeg kan brengen op de spanningaan de last V3. De intelligente transformator kan dus gebruikt worden om spanningsdips te eli-mineren. Een andere mogelijkheid is de convertoren van de DG-eenheden te gebruiken voor hetelimineren van spanningsdips, zoals bijvoorbeeld behandeld in [44]. Een combinatie is natuurlijkook mogelijk.

7.7 Calamiteiten

7.7.1 Wegvallen van belasting

Om na te gaan wat de gevolgen zijn van een totaal wegvallen van de last in de opstelling vanfiguur 7.1 werd de last ZL en de meting V3 voorafgegaan door een schakelaar. De intelligentetransformator werd ingesteld op PST = −200W en zal dus 200W injecteren in het microgrid. In


0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200


0 2 4 6 8 10 12 1495

100

105

110

115

120

125

130Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.15: Verloop van meetwaarden bij variabele netspanning VN en PST = 200W in de opstellingmet R1 = R2 = 1, 32Ω en ZL = 60Ω, een continue intelligente transformator en eenbeperkt belastbare DG-eenheid (− = V1, |P1|;−− = VN , |PN |; ·− = V3)

tabel 7.13 en figuur 7.17 werd een meting opgenomen bij een belasting ZL = 40Ω en vervolgenseen meting waarbij deze belasting totaal uitgeschakeld is, ZL = ∞. Daaruit blijkt dat bij hetwegvallen van de belasting de spanning aan de microgridzijde van de intelligente transformatornaar een maximum van V1 = 135, 9V evolueert. De omvormer blijkt een vermogen van P2 ≈ 90Wop te nemen.

Tabel 7.13: Meetresultaten voor en na het wegvallen van de last ZL40Ω in de opstelling met R1 =R2 = 1, 32Ω en PST = −200W , een continue intelligente transformator en een onbeperktbelastbare DG-eenheid

ZL(Ω) VN (V ) SN (V A) V1(V ) S1(V A) V2(V ) S2(V A) V3(V ) S3(V A) PDC(W )

40 115,2 184 114,2 194 113,3 159 111,5 311 140∞ 116,2 76 135,9 116 135,9 82 135,9 0 0


0 2 4 6 8 10 12 14150

160

170

180

190

200

210

220

230

240


0 2 4 6 8 10 12 14105

110

115

120

125

130Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.16: Verloop van meetwaarden bij spanningsdips op de netspanning VN en PST = −200W in deopstelling met R1 = R2 = 1, 32Ω en ZL = 80Ω en een discrete intelligente transformator(− = VN , PN ;−− = V1, P1; ·− =, V3; tijdsschaal: s · 0, 1)

7.7.2 Wegvallen van DG-eenheid

Om na te gaan wat de gevolgen zijn van de uitschakeling van de DG-eenheid in de opstelling vanfiguur 7.1 werd de omvormer voorafgegaan door een schakelaar. De intelligente transformatorwerd ingesteld op PST = −200W en een belasting van ZL = 40Ω werd aangelegd. In tabel 7.14 enfiguur 7.18 werd een meting opgenomen waarbij de omvormer aangeschakeld is en vervolgens eenmeting waarbij deze afgeschakeld is. Bij het uitschakelen van de omvormer daalt de spanningaan de microgridzijde van de intelligente transformator naar een minimum van V1 = 89, 0V ,omdat de intelligente transformator tracht het vermogen aan de microgrid-zijde te doen dalentot 200W . Hier wil dit zeggen dat de intelligente transformator de spanning V1 naar benedenregelt tot deze vermogenswaarde bereikt is.


0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

140

160

180


0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

120

140Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.17: Verloop van meetwaarden voor en na het wegvallen van de last ZL40Ω in de opstellingmet R1 = R2 = 1, 32Ω en PST = −200W , een continue intelligente transformator en eenonbeperkt belastbare DG-eenheid (− = VN , PN ;−− = V1, P1; ·− = V3)

Tabel 7.14: Meetresultaten voor en na het wegvallen van de DG-eenheid in de opstelling met R1 =R2 = 1, 32Ω, PST = −200W , ZL = 40Ω en een continue intelligente transformator


40 114,9 184 114,0 182 113,2 158 111,4 310 14040 114,6 206 89,0 196 0,0 0 85,5 183 X

7.7.3 Wegvallen van netkoppeling

Om na te gaan wat de gevolgen zijn van een onderbreking in de koppeling tussen microgrid endistributienet werd in de opstelling van figuur 7.1 een schakelaar geplaatst aan de aansluiting vande intelligente transformator met het microgrid. De intelligente transformator werd ingesteld opPST = 200W bij een belasting van ZL = 60Ω. In tabel 7.15 werd een meting opgenomen waarbijde netkoppeling aanwezig is en vervolgens enkele metingen in eilandbedrijf, met variabele last.


0 2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300


0 2 4 6 8 10 12 1485

90

95

100

105

110

115

120Spanningen (V)

Time offset: 0

Figuur 7.18: Verloop van meetwaarden voor en na het wegvallen van de DG-eenheid in de opstelling metR1 = R2 = 1, 32Ω, PST = −200W , ZL = 40Ω en een continue intelligente transformator(− = VN , PN ;−− = V1, P1; ·− = V3))

Daarbij regelt de omvormer zijn uitgangsspanning V2 naar een nominale waarde. Vermits nugeen reactief vermogen meer kan uitgewisseld worden is S2 = P2. Dit kan bewezen worden door

bijvoorbeeld P2 =U22

ZL+R2= 113,4V 2

50Ω+1,32Ω = 250, 6W ≈ 251V A = S2

Tabel 7.15: Meetresultaten voor en na het wegvallen van de netkoppeling in de opstelling met R1 =R2 = 1, 32Ω, PST = −200W , ZL = 60Ω en variabel, een continue intelligente transformatoren een onbeperkt belastbare DG-eenheid


60 106,6 224 103,1 237 112,2 449 106,8 190 48060 107,0 0 0 0 113,5 211 110,8 205 24070 107,0 0 0 0 113,6 181 111,3 177 22050 107,0 0 0 0 113,4 251 110,4 244 280


7.8 Besluit

In dit hoofdstuk werden de continue en discrete variant van de intelligente transformator gebruiktom een net dat een microgrid simuleert te koppelen met het distributienet. De vermogensrege-ling zorgt voor een spanningsdaling in het microgrid wanneer door het distributienet vermogengevraagd wordt en voor een spanningsverhoging wanneer door het distributienet vermogen ge-leverd wordt.

Wanneer een beperking opgelegd wordt aan het door de DG-eenheid geleverde vermogen, hetgeeneen meer reele toestand van het microgrid voorstelt vermits vele DG-eenheden beperkingenhebben op hun vermogen, kan de spanning in het microgrid zeer laag worden, tot zelfs onderhetgeen toelaatbaar is. Ook zal het wegvallen van alle geproduceerd vermogen in het microgrideen aanzienlijke spanningsdaling tot gevolg hebben. Tracht de regeling dan weer meer vermogenin het netwerk te injecteren dan er verbruikt wordt dan zal de spanning stijgen, mogelijkszelfs tot boven hetgeen toelaatbaar is. Daarom is het implementeren van bovenste en onderstelimietwaarden voor de spanning in de regeling aangewezen.

Om het spanningsverloop nog meer binnen de bovenste en onderste limietwaarden te houden,kan een spanningsgebaseerde droopregeling in de intelligente transformator geımplementeerdworden. Deze regeling zal spanningsafwijkingen compenseren door bijkomend vermogen richtingmicrogrid (bij lage spanningen) of richting distributienet (bij hoge spanningen) te transporterenwanneer de spanning zeer laag dreigt te worden. Wanneer de spanning zeer hoog dreigt te wordenkan de regeling bijkomend vermogen uit het microgrid transporteren richting distributienet.

Een extra functionaliteit van de intelligente transformator komt uit zijn vermogen om de span-ning van het microgrid nagenoeg onafhankelijk te maken van de spanning in het distributienet.Daardoor kan de intelligente transformator de spanning in het microgrid constant houden, on-danks variaties in hogerop gelegen netten. Zo kan de elektronisch werkende discrete transforma-tor spanningsdips uit het distributienet compenseren zodat ze in het microgrid nagenoeg nietvoorkomen.

Hoofdstuk 8

Slotbeschouwingen en verderonderzoek

8.1 Besluiten

In toekomstige elektriciteitsnetten zullen microgrids een sleutelrol vervullen. De manier waaropzij met het elektriciteitsnetwerk communiceren, en vooral de manier waarop verbruikers enproducenten in het microgrid met elkaar communiceren, dient zo kostenefficient mogelijk tezijn. Het is dus belangrijk de bestaande infrastructuur en methodes waar mogelijk te behouden,en slechts aanpassingen in te bouwen waar het noodzakelijk blijkt, en dit op een zo efficientmogelijke wijze.

De spanningsgebaseerde droop regeling is een manier om met een beperkte infrastructuurskosttoch communicatie met betrekking tot vermogensstromen in het micrgrid mogelijk te maken,er zijn immers geen bijkomende verbindingen nodig tussen eenheden in het microgrid vermitsde communicatie gebeurt op basis van het spanningsniveau. In netgekoppelde modus zorgt deintelligente transformator ervoor dat het microgrid zich voor de distributienetbeheerder voordoetals een enkele regelbare eenheid. De distributienetbeheerder moet dus niet met alle eenheden inhet microgrid communiceren, maar slechts uitsluitend met de intelligente transformator.

In deze thesis werden twee werkingsprincipes uitgewerkt voor de intelligente transformator.De continue transformator heeft het voordeel spanningen, en dus vermogensstromen, niet-trapsgewijs te kunnen regelen. De discrete transformator heeft dit voordeel niet, maar heeftdan weer het voordeel dat het omschakelen naar een andere werkingstoestand zeer snel kangebeuren.

Bij zowel discrete als continue geregelde transformatoren is merkbaar dat bij regeling van hetactief vermogen het reactief vermogen alleen afhangt van de spanning in het net. Dit fenomeenkan belangrijk zijn voor lasten die voornamelijk inductief of capacitief zijn. Het reactief ver-mogen kan daar immers in grootte het actief vermogen meermaals overstijgen, en aldus vooroverbelasting zorgen, en dit zonder dat de limieten voor het actief vermogen in de regeling over-schreden worden. Er dient dus een bijkomende limiet in de intelligente transformator opgenomente worden die de mogelijkheid op overbelasting uitsluit. Een beperking op de stroom zou kunnenvolstaan.

Omwille van het niet-continu verloop van de spanning in de keten gevoed door een discreetgeregelde transformator, kan door inductieve of capacitieve lasten gedrag uitgelokt worden watresulteert in kortstondige afwijkingen van de stroom. Dit fenomeen kan belangrijk zijn voor hetdimensioneren van onder andere schakelcomponenten in de transformator.

108

Hoofdstuk 8. Slotbeschouwingen en verder onderzoek 109

Vanzelfsprekend kan de intelligente transformator slechts het vermogen overdragen waarvoor hijontworpen is. Toch is nog een beperking op het vermogen dat kan worden geregeld vastgesteld,deze beperking is afkomstig van de beperkingen op spanningsniveaus en de lijnweerstand inde keten. Is de lijnweerstand hoog, dan zal de regelwerking van de intelligente transformatorsneller door zijn bovenste- of onderste spanningslimiet gestopt worden in de betrachting eenzelfdewensvermogen te bereiken dan dit het geval is bij een lagere lijnweerstand.

De lijnweerstand is dus idealiter redelijk laag, maar niet te laag. Een te lage weerstand zouimmers een zeer onstabiele werking opleveren, vermits dan slechts een zeer beperkte spannings-variatie al zeer grote vermogensverschillen kan veroorzaken.

De vermogensregeling zorgt voor een spanningsdaling in het microgrid wanneer door het distribu-tienet vermogen gevraagd wordt en voor een spanningsverhoging wanneer door het distributienetvermogen geleverd wordt.

Wanneer een beperking opgelegd wordt aan het door de DG-eenheid geleverd vermogen, hetgeeneen meer reele toestand van het microgrid voorstelt vermits vele DG-eenheden beperkingenhebben op hun vermogen, kan de spanning in het microgrid zeer laag worden, tot zelfs onderhetgeen toelaatbaar is. Ook zal het wegvallen van alle geproduceerd vermogen in het microgrideen aanzienlijke spanningsdaling tot gevolg hebben. Tracht de regeling dan weer meer vermogenin het netwerk te injecteren dan er verbruikt wordt dan zal de spanning stijgen, mogelijkszelfs tot boven hetgeen toelaatbaar is. Daarom is het implementeren van bovenste en onderstelimietwaarden voor de spanning in de regeling aangewezen.

Om het spanningsverloop nog meer binnen de bovenste en onderste limietwaarden te houden,kan een spanningsgebaseerde droopregeling in de intelligente transformator geımplementeerdworden. Deze regeling zal spanningsafwijkingen compenseren door bijkomend vermogen richtingmicrogrid (bij lage spanningen) of richting distributienet (bij hoge spanningen) te transporterenwanneer de spanning zeer laag dreigt te worden. Wanneer de spanning zeer hoog dreigt te wordenkan de regeling bijkomend vermogen uit het microgrid transporteren richting distributienet.

Een extra functionaliteit van de intelligente transformator komt uit zijn vermogen om de span-ning van het microgrid nagenoeg onafhankelijk te maken van de spanning in het distributienet.Daardoor kan de intelligente transformator de spanning in het microgrid constant houden, on-danks variaties in hogerop gelegen neten. Zo kan de elektronisch werkende discrete transformatorspanningsdips uit het distributienet compenseren zodat ze in het microgrid nagenoeg niet voor-komen.

8.2 Mogelijkheden voor verder onderzoek

De hier voorgestelde regelkringen werken niet voorspellend, er moet een afwijking zijn om eenregelactie tot gevolg te hebben. Voor gebruik in intelligente transformatoren in regime stelt ditgeen problemen. Bij inschakelprocedures, die bijvoorbeeld zullen gebruikt worden bij microgridsdie in eilandbedrijf kunnen werken, is er wel een voorspelling noodzakelijk. Alvorens de intel-ligente transformator daar de koppeling verwezenlijkt, zal men immers een vergelijking moetenmaken tussen de spanning aan de zijde van het microgrid en deze op het distributienet, om zoeen inschatting te kunnen maken van het vermogen in ingeschakelde toestand. Om schakelcom-ponenten daar niet onnodig te belasten, zou kunnen geopteerd worden om te streven naar eennagenoeg stroomloos inschakelen van de transformator. Onderzoek naar inschakelprocedures ofuitschakelprocedures werd niet in deze thesis opgenomen, maar de proefstand werd wel uitgerustmet mogelijkheden om dit onderzoek toe te laten.

Hoofdstuk 8. Slotbeschouwingen en verder onderzoek 110

De discrete transformator biedt het belangrijke voordeel dat de vermogensregeling zeer snelverloopt. Nadelig is wel dat de transformator de vermogenswenswaarde slechts bij benaderingbereikt, er blijft dus een (lichte) fout bestaan. Aan dit nadeel zou kunnen verholpen wordendoor het afwisselend en aan zeer hoge snelheid schakelen van de schakelaars tussen twee positieswaartussen het wensvermogen zich bevindt. Dit onderzoek viel buiten het bereik van dezethesis, maar de opstelling van de discrete transformator laat toe hiernaar verder onderzoek teverrichten.

De intelligente transformator kan een koppeling met het distributienet verwezenlijken zonderuitwisseling van actief vermogen. Daarbij kan wel reactief vermogen uitgewisseld worden. Detransformator kan dus gebruikt worden om uitsluitend of voornamelijk reactief vermogen uitte wisselen. Ook zou de transformator gebruikt kunnen worden om uitsluitend of voornamelijkharmonisch vermogen uit te wisselen. De proefstand is voorzien op deze toepassingen, maar hetonderzoek hiernaar werd nog niet verricht.

Indien DG-eenheden via (virtuele) regelbare impedanties aan het microgrid gekoppeld zijn, ende intelligente transformator is via (virtuele) regelbare impedanties verbonden aan datzelfdemicrogrid, dan kan een netwerk opgebouwd worden dat de spanning bij de eindverbruiker veelminder doet varieren dan de spanningen aan de zijde van DG-eenheden en intelligente transfor-mator. Vermits reglementering zich vaak beperkt tot de spanning bij de eindverbruiker, zou hetzo mogelijk kunnen zijn delen van het microgrid te bedrijven aan spanningen die de bovensteen onderste limieten van de eindverbruiker overschrijden, zonder dat deze daar veel hinder vanondervindt. Ook deze mogelijkheden zijn nog niet onderzocht.

Hoofdstuk 9

Bijlagen

Alle schema’s, metingen, modellen, code, e.d. werden verzameld op CD-ROM. Deze is achteraante vinden.

111

Bibliografie

[1] Europese Unie, “Richtlijn 2003/54/eg van het europees parlement en de raad betreffendegemeenschappelijke regels voor de interne markt voor elektriciteit en houdende intrekkingvan richtlijn 96/92/eg,” Publicatieblad van de Europese Unie, 2003.

[2] Z. M. Koning Albert II, Koning der Belgen, Prins van Luik, “de wet van 29 april 1999betreffende de organisatie van de elektriciteitsmarkt, gewijzigd onder andere door de pro-grammawet van 22 december 2008,” Belgisch staatsblad, 2012.

[3] Elia, Jaarverslag 2012. 2013.

[4] ENTSO-E, Annual report 2012. 2013.

[5] VREG, Jaarverslag 2012. 2013.

[6] CREG, Jaarverslag 2012. 2013.

[7] L. Broekaert, energie 2: Centrale elektriciteitsproductie. Electrabel, 2012.

[8] R. Belmans en K. Hameyer, Elektrische energie, fundamenten en toepassingen. Garant,2002.

[9] R. Belmans en W. Geysen, Elektrische machines en aandrijvingen 1 en 2. Garant, 1999.

[10] D. Van Dommelen, Productie, transport en distributie van elektriciteit. Acco, 2001.

[11] H. Vandenheede, L. Verschaeve, o.r.v. H. Saeys, Elektrische machines 3,4 en 5. Garant,2002.

[12] Vlaamse Regulator voor de Elektriciteits en Gasmarkt, Technisch regelement distributieelektriciteit. 2004.

[13] W. ter Brugge, B.A. Meijers, G.B. Nahuis, T.C. Smit, Elektrotechnisch vademecum, hand-leiding voor de sterkstroomtechniek. E. Kluwer, 1967.

[14] D.M. Getson, ABB, “On load tap changers,” 2012.

[15] Maschinenfabrik Reinhausen, On-Load Tap-Changer VACUTAP AVT, Operating Instruc-tions. 2006.

[16] J. H. Harlow, Electric Power Transformer Engineering. CRC press, 2007.

[17] J. D. McDonald, Electric Power Substations Engineering. CRC press, 2007.

[18] Product range transformer control division. Maschinenfabrik Reinhausen, 2012.

[19] Maschinenfabrik Reinhausen, Switching sequence of OLTC operation diagram 10193W (re-versing switch). 2005.

112

Bibliografie 113

[20] Maschinenfabrik Reinhausen, Switching sequence of diverter switch type M. 2006.

[21] Ateliers de Construction Electriques de Charleroi, Chargeurs de prises en charge RR10:notice descriptive, montage, service, inspection. 1972.

[22] Ateliers de Construction Electriques de Charleroi, Elektrische aandrijving type MP10 voorregelaars voor het onder belasting regelen van de spanning van transformatoren. 1972.

[23] EU Commission Task Force for Smart Grids - Expert Group 1, “Functionalities of smartgrids and smart meters,” December 2010.

[24] R. H. Lasseter and P. Paigi, “Microgrid: A conceptual solution,” IEEE Power ElectronicsSpecial Conference (PESC 2004), Aachen, Germany, vol. 35, pp. 1331–1344, 2004.

[25] P. M. Costa and M. A. Matos, “Assessing the contribution of microgrids to the reliabilityof distribution networks,” Electrical Power Systems Research, vol. 79, no.2, pp. 382–389,Feb. 2009.

[26] Intergouvernamental Panel on Climate Change, “Verdrag van kyoto,” December 1997.

[27] Europese Raad, “Eu 2020-strategie,” 17 juni 2010.

[28] T. Vandoorn, Voltage-Based Droop Control of Converter-Interfaced Distributed GenerationUnits in Microgrids. PhD thesis, Universiteit Gent, 2013.

[29] B. Kroposki, R. Lasseter, T. Ise, S. Morozumi, S. Papathanassiou, N. Hatziargyriou, “Ma-king microgrids work,” IEEE power and energy magazine, pp. 40–53, may/june 2008.

[30] L. L. Grigsby, Power system stability and control. CRC Press, 2007.

[31] J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma, Thomas J. Overbye, Power system analysis anddesign. Cengage learning, 2009.

[32] J. Willems, Elektrische netten, ten behoeve van studenten burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur. Story Scienta, 1978.

[33] S.M. Bashi, “Microcontroller-based fast on-load semiconductor tap changer for small powertransformer,” Journal of Applied Sciences, vol. 5, pp. 999–1003, 2005.

[34] R. Echavarrıa, A. Claudio and M. Cotorogea, “Analysis, design, and implementation of afast on-load tap changing regulator,” IEEE transactions on power electronics, vol. 22, no.2, pp. 527–534, Mar. 2007.

[35] D. Monroy-Berjillos, A. Gomez-Exposito and A. Bachiller-Soler, “A lab setup illustratingthyristor-assisted under-load tap changers,” IEEE transactions on power systems, vol. 25no. 3, pp. 1203–1210, Aug. 2010.

[36] H. Jiang, R. Shuttleworth, B. A. T. Al Zahawi, X. Tian, and A. Power, “Fast response gtoassisted novel tap changer,” IEEE transactions on power delivery, vol. 16 no. 1, pp. 111–115,Jan. 2001.

[37] A. G. Exposito and D. M. Berjillos, “Solid-state tap changers: New configurations andapplications,” IEEE transactions on power delivery, vol. 22 no. 4, pp. 2228–2235, Oct.2007.

[38] J. Faiz and B. Siahkolah, “New solid-state onload tap-changers topology for distributiontransformers,” IEEE transactions on power delivery, vol. 18, no. 1, pp. 136–141, Jan. 2003.

Bibliografie 114

[39] J. Faiz and B. Siahkolah, “Differences between conventional and electronic tap-changers andmodifications of controller,” IEEE transactions on power delivery, vol. 21, no. 3, pp. 1342–1349, Jul. 2006.

[40] J. Faiz and B. Siahkolah, “New controller for an electronic tap changer—part i: Designprocedure and simulation results,” IEEE transactions on power delivery, vol. 22, no. 1,pp. 223–229, Jan. 2007.

[41] J. Faiz and B. Siahkolah, “New controller for an electronic tap changer—part ii: Mea-surement algorithm and test results,” IEEE transactions on power delivery, vol. 22, no. 1,pp. 230–237, Jan. 2007.

[42] J. Fiaz, B. Siahkolah, Electronic Tap-changer for distribution transformers. Springer-Verlag,2011.

[43] Ringstelltransformatoren. Schuntermann Gmbh, 2012.

[44] B. Meersman, Regeling van driefasige invertorgekoppelde decentrale generatoren met betrek-king tot de verbetering van de netkwaliteit. PhD thesis, Universiteit Gent, 2012.

Regelbare vermogensuitwisseling met een microgrid door een ......Wim Willems door een intelligente...

Documents

Transcript of Regelbare vermogensuitwisseling met een microgrid door een ......Wim Willems door een intelligente...