Harmoninen resonanssi verkkoyhdistetyissä järjestelmissä

Abstract

Uusiutuvan energiantuotannon liittäminen sähköverkkoon tapahtuu tehoelektronisten inverttereiden avulla, jotka vuorovaikuttavat toistensa ja sähköverkon kanssa aiheuttaen sähköverkossa harmonista resonanssia. Harmoninen resonanssi vaikuttaa sähköverkon stabiiliuteen ja laatuun ja voi pahimmillaan rikkoa sähköverkkoon kytkettyjä laitteita.

Harmoniset yliaallot syntyvät sähköverkossa, kun verkkoon liitetään epälineaarista kuormaa. Epälineaarisen kuorman takia sähköverkon virran aaltomuoto ei ole puhdasta siniaaltoa, vaan se on voimakkaasti vääristynyt. Tämä johtuu siitä, että yliaaltovirta on monen virtakomponentin summa ja ominaistaajuuden monikertojen virrat ovat nimeltään harmonisia yliaaltovirtoja. Kulkiessaan sähköverkon johdinten impedanssien läpi harmoninen yliaaltovirta synnyttää Ohmin lain mukaisesti harmonista yliaaltojännitettä. Harmonisten yliaaltojen vaikutuksesta nämä harmoniset yliaallot voimistuvat sähköverkkoon kytkettyjen laitteiden resonanssitaajuuksilla, ja tätä kutsutaan harmoniseksi resonanssiksi.

Harmonisen resonanssin ennustamiseksi ja ennaltaehkäisemiseksi on kehitelty erilaisia menetelmiä. Tässä työssä tarkastellaan, mitä harmoninen resonanssi on, ja esitellään kolme erilaista menetelmää sen ennustamiseksi ja ennaltaehkäisemiseksi. Nämä menetelmät ovat lineaariskvadraattinen regulaattori (engl. Linear quadratic regulator, LQR), todennäköisyyspohjainen resonanssitaajuuskaistan siirtomenetelmä (engl. Probabilistic resonance frequency band shift method, PRFB) ja hybridi-induktiivinen ja aktiivinen suodatusmenetelmä (engl. Hybrid inductive and active filtering method, HIAF). Näiden menetelmien vaikutusta harmoniseen resonanssiin sähköverkossa on tutkittu simulaatioiden ja käytännön testien avulla. Työssä esitellään myös lyhyesti omalla simulaatiotyöllä, mitkä ovat harmonisten yliaaltojen ja harmonisen resonanssin vaikutukset sähköverkon virran vääristymään ja säröön.

Työssä esiteltyjen tutkimusten tulokset osoittivat, että harmonisen resonanssin sijainti on ennustettavissa ja sen vaikutuksia sähköverkkoon on mahdollista mitätöidä osittain tai jopa kokonaan. Harmonisen resonanssin vaikutukset sähköverkossa ovat pääosin sähköverkon virran aaltomuodon vääristymistä ja vaihe-erojen muutoksia. Näitä vaikutuksia myös havainnollistetaan työssä lyhyesti simulaatiotyön avulla.