Superkondensaattorit energiavarastona sähkön laatua parantavissa sovelluksissa

Abstract

Merus Power Dynamics Oy manufactures solutions for improving power quality in industry and renewable energy generation. The company’s main product portfolio includes active harmonic filters and STATCOMs. These products can be used for e.g. mitigating harmonic currents and voltages, providing fast reactive power compensation and balancing three-phase loads. All these functions require only reactive power. In 2014 the company developed a product called UPQ, Uninterrupted Power Quality, which is able to compensate also short interruptions and voltage sags. The UPQ is a shunt active harmonic filter that has a large-capacity energy storage connected to its DC-link. The UPQ uses the energy storage to provide active power during power outages and voltage sags. In the first version of the UPQ the energy storage was based on VRLA-batteries. Especially the company’s clients’ feedback was, however, that lead-acid batteries are not preferred due to e.g. their short lifetime. Hence the company decided to further develop the UPQ’s energy storage especially from the point of view of short discharge times. The energy storage to be developed in this thesis was decided to be supercapacitors, based on the company’s previous research and the customers’ interest. The thesis is divided into four parts. After the Introduction, theory and statistics of power quality phenomena related to the UPQ and cost of poor power quality are discussed. It is pointed out that tremendous economic damage can be avoided only by compensating seconds-long interruptions and voltage sags. Energy storage options for the targeted 2-second discharge time are also discussed on theoretical level. The second part explains what design considerations are required when switching the VRLA-batteries of the UPQ to supercapacitors. In the third part of the thesis test results for the assembled prototype are presented and simulation results are verified with actual measurements. In the last chapter possible applications and development options for the supercapacitor-UPQ are discussed. In the laboratory tests, the supercapacitors prove to be a satisfying energy storage option for the UPQ, providing active power to sensitive loads during short interruptions. However, the test results show that further development is needed before launching the product. Interview of the company’s partner proves great market opportunity for the product.

Merus Power Dynamics Oy valmistaa sähkön laatua parantavia tuotteita teollisuuteen ja uusiutuvan energian tuotantolaitoksiin. Yhtiön perustuotteisiin kuuluvat muun muassa aktiivisuodattimet ja STATCOM-laitteet. Näitä laitteita voidaan käyttää harmonisten yliaaltojen kompensoimiseen, nopeaan loistehon kompensointiin tai kolmivaiheisen kuorman tasapainottamiseen. Kaikkiin edellä mainittuihin toimintoihin vaaditaan vain loistehoa.

Vuonna 2014 yhtiö kehitti lyhyiden keskeytysten ja jännitekuoppien kompensointiin soveltuvan tuotteen nimeltä UPQ, Uninterrupted Power Quality. UPQ:ssa aktiivisuodattimen DC-puolelle kytketään energiavarasto, josta voidaan syöttää tarvittaessa pätötehoa suojattavalle kuormalle. Ensimmäisessä UPQ:n versiossa energiavarastona käytettiin VRLA-akkuja. Erityisesti yhtiön asiakkailta tulleen palautteen perusteella lyijypohjaisia akkuratkaisuja pidetään kuitenkin epäkäytännöllisinä muun muassa niiden lyhyehkön eliniän vuoksi. Tämän vuoksi UPQ:n energiavarastoa päätettiin jatkokehittää erityisesti lyhyisiin purkauksiin soveltuvaksi. Asiakkaiden kiinnostuksen ja yhtiön aiemman selvityksen perusteella uudeksi energiavarastoksi tähän tarkoitukseen valittiin superkondensaattorit.

Työ on jaettu neljään osaan. Ensimmäisessä osassa johdannon jälkeen käsitellään teoriaa ja tutkimuksia sähkön laadusta sekä erityisesti jännitekuoppien ja lyhyiden keskeytysten aiheuttamista kustannuksista. Kappaleessa osoitetaan, että jo sekuntien pituisten keskeytysten kompensoimisella loppuasiakas voi välttää huomattavat taloudelliset tappiot. Jälkimmäisessä teoriakappaleessa käsitellään UPS-laitteissa yleisesti käytettyjä energiavarastovaihtoehtoja ja niiden soveltuvuutta yhtiön tavoitteeksi asettamaan kahden sekunnin purkausaikaan. Työn toisessa osiossa käsitellään superkondensaattorien käytön tuomia suunnittelutekijöitä. Kolmannessa osiossa esitellään suunnitellun ja rakennetun UPQ:n prototyypin toimintaa käytännössä sekä vertaillaan mittaustuloksia suunnittelussa käytettyihin simulointeihin. Viimeisessä osiossa tarkastellaan superkondensaattoreilla varustetun UPQ:n sovellusmahdollisuuksia sekä mahdollisia jatkokehityssuuntia.

Superkondensaattorit toimivat mittauksissa UPQ:n energiavarastona toivotunlaisesti lyhyiden keskeytysten ja jännitekuoppien kompensoimisessa. Testitulokset osoittavat kuitenkin, että hieman lisäkehitystä vaaditaan ennen kuin tuote on valmis markkinoille. Yhtiön partnerille teetetyn haastattelun perusteella tuotteella on huomattava markkinapotentiaali.