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eLibrary > PD IEC/TS 62578:2015 Power electronics systems and equipment. Operation conditions and characteristics of active infeed converter (AIC) applications including design recommendations for their emission values below 150 kHz >

PD IEC/TS 62578:2015 Power electronics systems and equipment. Operation conditions and characteristics of active infeed converter (AIC) applications including design recommendations for their emission values below 150 kHz, 2015

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PD IEC/TS 62578:2015 Power electronics systems and equipment. Operation conditions and characteristics of active infeed converter (AIC) applications including design recommendations for their emission values below 150 kHz, 2015

30323913-VOR.pdf [Go to Page]
English [Go to Page]
CONTENTS
FOREWORD
INTRODUCTION
1 Scope
2 Normative references
3 Terms and definitions
4 General system characteristics of PWM active infeed converters connected to the power supply network [Go to Page]
4.1 General
4.2 Basic topologies and operating principles [Go to Page]
4.2.1 General
4.2.2 Operating principles
4.2.3 Equivalent circuit of an AIC
4.2.4 Filters
4.2.5 Pulse patterns
4.2.6 Control methods
4.2.7 Control of current components
4.2.8 Active power factor correction
4.3 AIC rating [Go to Page]
4.3.1 General
4.3.2 Converter rating under sinusoidal conditions
4.3.3 Converter rating in case of harmonic currents
4.3.4 Converter rating under dynamic conditions
5 Electromagnetic compatibility (EMC) considerations for the use of AICs [Go to Page]
5.1 General
5.2 Low-frequency phenomena (<150 kHz) [Go to Page]
5.2.1 General
5.2.2 Emerging converter topologies and their advantages for the power supply network
5.2.3 Active equalizing of the power supply network
5.2.4 Measured power supply network impedances in the range between 2 kHz to 20 kHz
5.2.5 Proposal of an appropriate line impedance stabilisation network (LISN) from 2 kHz to 9 kHz
5.2.6 Effects on industrial equipment in the frequency band 2 kHz to 9 kHz
5.3 High-frequency phenomena (> 150 kHz) [Go to Page]
5.3.1 General
5.3.2 Mitigation of distortion
5.3.3 Immunity
5.3.4 EMI filters
5.4 Audible noise effects
5.5 Leakage currents
5.6 Aspects of system integration and dedicated tests
6 Characteristics of a PWM active infeed converter of voltage source type and two level topology [Go to Page]
6.1 General
6.2 General function, basic circuit topologies
6.3 Power control
6.4 Dynamic performance
6.5 Desired non-sinusoidal line currents
6.6 Undesired non-sinusoidal line currents
6.7 Availability and system aspects
6.8 Operation in active filter mode
7 Characteristics of a PWM active infeed converter of voltage source type and three level topology [Go to Page]
7.1 General function, basic circuit topologies
7.2 Power control
7.3 Dynamic performance
7.4 Undesired non-sinusoidal line currents
7.5 Availability and system aspects
8 Characteristics of a PWM Active Infeed Converter of Voltage Source Type and Multi Level Topology [Go to Page]
8.1 General function, basic circuit topologies
8.2 Power control
8.3 Dynamic performance
8.4 Power supply network distortion
8.5 Availability and system aspects
9 Characteristics of a F3E AIC of the Voltage Source Type [Go to Page]
9.1 General function, basic circuit topologies
9.2 Power control and line side filter
9.3 Dynamic performance
9.4 Harmonic current
10 Characteristics of an AIC of Voltage Source Type in Pulse Chopper Topology [Go to Page]
10.1 General
10.2 General function, basic circuit topologies
10.3 Desired non-sinusoidal line current
10.4 Undesired non-sinusoidal line current
10.5 Reliability
10.6 Performance
10.7 Availability and system aspects
11 Characteristics of a two level PWM AIC of current source type (CSC) [Go to Page]
11.1 General
11.2 General function, basic converter connections
11.3 Power control
11.4 Dynamic performance
11.5 Line current distortion
11.6 Operation in active filter mode
11.7 Availability and system aspects
Annex A (informative) [Go to Page]
A.1 Control methods for AICs in VSC (Voltage Source Converter) topology [Go to Page]
A.1.1 General
A.1.2 Considerations of control methods
A.1.3 Short-circuit ride through functionality for decentralized power infeed with AIC
A.1.4 Fault ride through mode
A.2 Examples of practical realized AIC applications [Go to Page]
A.2.1 AIC of current source type (CSC)
A.2.2 Active infeed converter with commutation on the d.c. side (reactive power converter)
A.3 Details concerning two level and multi-level AICs in VSC Topology [Go to Page]
A.3.1 Properties of active infeed converters (PWM) with different number of levels
A.3.2 Examples of typical waveforms of AICs
A.3.3 Construction and realization
A.4 Basic transfer rules between voltage and current distortion of an AIC
A.5 Examples of the influence of AICs to the voltage quality
A.6 Withstand capability of power capacitors towards distortion in the range of 2 kHz to 9 kHz [Go to Page]
A.6.1 General
A.6.2 Catalogue information about permissible harmonic load
A.6.3 Frequency boundaries for permissible distortion levels
A.6.4 Frequency spectrum of active infeed converters
A.6.5 Conclusion
A.7 Impact of additional AIC filter measures in the range of 2 kHz to 9 kHz [Go to Page]
A.7.1 General
A.7.2 Example of a PDS constellation (AIC and CSI)
A.7.3 Conclusion
A.8 Example of the power supply network impedance measurement [Go to Page]
A.8.1 General
A.8.2 Basic principle of measurement
A.8.3 Harmonic component injection methods for measurement
A.8.4 Harmonic current generation by disturbing device
A.8.5 References based on current injection by disturbance (Method A)
A.8.6 References based on sinusoidal single frequency injection (Method B)
Annex B (informative) [Go to Page]
B.1 Basic considerations for design recommendations of AICs in the range of 2 kHz to 9 kHz [Go to Page]
B.1.1 Overview
B.1.2 General
B.1.3 Withstand capability of power capacitors connected to the power supply network and recommendation for the compatibility in the frequency range 2 kHz to 9 kHz
B.1.4 Basic conditions for setting the capacitor withstand capability curve
B.1.5 Matching of AIC converters (2-Level PWM) to different power supply network conditions without overloading the power capacitor burden
B.1.6 Considerations in regard to medium voltage power supply networks
B.1.7 AIC filtering considerations
B.1.8 AIC appropriate technical and economical amount
B.1.9 Frequency range from 2 kHz to 9 kHz
B.2 Design recommendations for conducted emission of low voltage AICs in the reasonable context of higher frequencies between 9 kHz and 150 kHz [Go to Page]
B.2.1 General
B.2.2 Data collection results
B.2.3 Conclusions
Bibliography
Figures [Go to Page]
Figure 1 – AIC in VSC topology, basic structure
Figure 2 – AIC in CSC topology, basic structure
Figure 3 – Equivalent circuit for the interaction of the power supply network with an AIC
Figure 4 – Voltage and current vectors of line and converterat fundamental frequency for different load conditions
Figure 5 – The basic issues of EMC as tools of economics
Figure 6 – Typical power supply network current iL(t) and voltage uLN(t) of a phase controlled converter with d.c. output and inductive smoothing
Figure 7 – Typical power supply network current iL(t) and voltage uLN(t) of an uncontrolled converter with d.c. output and capacitive smoothing
Figure 8 – Typical power supply network current iL(t) and voltage uLN(t) of an AIC realized by a PWM Converter with capacitive smoothing without additional filters
Figure 9 – Example of attainable active and reactive power of the AIC (VSC-type) at different line to line voltages in per unit (with 10 % combined transformer and filter inductor short-circuit voltage, X/R ratio = 10/1, d.c. voltage = 6,5 kV)
Figure 10 – Principle of compensating given harmonics in the power supplysystem by using an AIC and suitable control simultaneously
Figure 11 – Typical Voltage Distortion in the Line-to-Line and Line-to-Neutral Voltage generated by an AIC without additional filters (u in % and t in degrees)
Figure 12 – Basic characteristic of the relative voltage distortion (59th harmonic)of one AIC operated at a pulse frequency of 3 kHz versus RSCe with the lineimpedance according to 5.2.4
Figure 13 – Basic characteristic of the relative current emission (59th harmonic)of one AIC at a pulse frequency of 3 kHz versus RSCe with the lineimpedance according to 5.2.4
Figure 14 – Single phase electric circuit of the three commonly used differential mode passive line filter topologies for VSC and one example for passive damping
Figure 15 – Example of the attenuation of the VSC line to line voltage to the line to line voltage at the IPC with state of the art differential mode passive line filter topologies
Figure 16 – Connection of the power supply networkimpedance measurement equipment
Figure 17 – Example of the measured impedance of a low-voltage transformerunder no load condition S = 630 kVA, uk = 6,08 %
Figure 18 – Measured variation of the power supply network impedanceover the course of a day at one location
Figure 19 – Power supply network impedance with partly negative imaginary part
Figure 20 – Distribution of power system impedance (measured between phaseand neutral conductor) in low-voltage systems versus frequency
Figure 21 – Statistical distribution of positive-sequence impedance versusfrequency in low-voltage power supply networks
Figure 22 – Equivalent circuit describing the power supply network impedance
Figure 23 – Circuit topology for power system simulation
Figure 24 – Approximated and measured 50 % impedance curve
Figure 25 – Single phase circuit topology according to IEC 61000-4-7+used for line impedance stabilisation network
Figure 26 – Three-phase circuit topology for the line impedance stabilisation network
Figure 27 – Impedance variation in the 90 % curve of the LISN described in Figure 26
Figure 28 – PDS with large d.c. capacitance
Figure 29 – PDS with large capacitance and line inductor
Figure 30 – PDS with a large d.c. capacitance and inductors in the d.c. link
Figure 31 – Basic EMI filter topology
Figure 32 – Block diagram of a PDS with high frequency EMI filter system
Figure 50 – Input current spectrum of a 75kW-F3E-converter
Figure 33 – Basic illustration of a topology of a two level PWM voltage source AIC
Figure 34 – Typical waveforms of voltages uS1N / ULN, 1 and voltage uS12 / ULN, 1 at pulse frequency of 4 kHz
Figure 35 – Typical waveforms of the common mode voltage uCM / ULN,1 at pulse frequency of 4 kHz. Power supply frequency is 50Hz
Figure 36 – Waveform of the current iL1 / Iequ at pulse frequency of 4 kHz, relative impedance of uSCV,equ = 6 %
Figure 37 – Block diagram of a two level PWM AIC
Figure 38 – Distortion of the current iL1 of reactance Xequ, pulse frequency: 4 kHz, relative reactance of uSCV,equ = 6 %
Figure 39 – Typical voltages uL1N / ULN, 1 and uL12 / ULN, 1at pulse frequency of 4 kHz, relative reactance uSCV, equ = 6 %, RSCe= 100
Figure 40 – Basic topology of a three level AIC. For a Power Drive System (PDS) the same topology may be used also on the load side
Figure 41 – Typical curve shape of the phase-to-phase voltageof a three level PWM converter
Figure 42 – Example of a sudden load change of a 13 MW three level converterwhere the current control achieves a response time within 5 ms
Figure 43 – Typical topology of a flying capacitor (FC) four level AIC using IGBTs
Figure 44 – Typical curve shape of the phase-to-phase voltageof a multi-(four)-level AIC
Figure 45 – Distorting frequencies and amplitudes in the line voltage (measured directly at the bridge terminals in Figure 25 and the line current of a multilevel (four) AIC (transformer with 10 % short-circuit voltage)
Figure 46 – Topology of a F3E AIC
Figure 47 – Line side filter and equivalent circuit forthe F3E-converter behaviour for the power supply network
Figure 48 – Current transfer function together with RSCe = 100 and RSCe = 750and a line side filter: G(f) = iL1/ iconv
Figure 49 – PWM – voltage distortion over power supply network impedancefor F3E-infeed including power supply network side filter
Figure 51 – Harmonic spectrum of the input currentof an F3E-converter with RSCe = 100
Figure 52 – An illustration of a distortion effect caused by a single phase converter with capacitive load
Figure 53 – a.c. to a.c. AIC pulse chopper, basic circuit
Figure 54 – Illustration of a converter topology for a current source AIC
Figure 55 – Typical waveforms of currents and voltages of a current source AICwith high switching frequency
Figure 56 – Typical block diagram of a current source PWM AIC
Figure 57 – Current source AIC used as an active filter to compensatethe harmonic currents generated by a nonlinear load
Figure 58 – Step response (reference value and actual value) of current source AIC with low switching frequency [33]
Figure A.1 – Principle sketch for combined voltage- andcurrent-injecting modulation example for phase leg R
Figure A.2 – Example for controlled phase current during a voltage dipat the power supply network using hysteresis plus PWM control
Figure A.3 – Typical waveforms of electrical power supply network current and voltage for a current source AIC with low switching frequency [33]
Figure A.4 – Currents and voltages in a (semiconductor) valve device of an AIC and a machine side converter both of the current source with low pulse frequency [33]
Figure A.5 – Total harmonic distortion of electricalpower supply network and motor current [33] remains always below 8 %(triangles in straight line) in this application
Figure A.6 – Basic topology of an AIC with commutation on the d.c. side (six pulse variant)
Figure A.7 – Dynamic performance of a reactive power converter
Figure A.8 – Line side current for a twelve pulse Reactive Power Converter in a capacitive and inductive operation mode (uSCV,equ = 15 %)
Figure A.9 – The origin of the current waveform of a RPC by the line voltage (sinusoidal) and the converter voltage (rectangular)
Figure A.10 – Two level topology with nominal voltage of maximum 1 200 V and timescale of 5 ms/div
Figure A.11 – Three level topology with nominal voltage of maximum 2 400 V and timescale of 5 ms/div
Figure A.12 – Four level topology with nominal voltage of maximum 3 300 V and timescale of 5 ms/div
Figure A.13 – General influence of significant characteristics to the voltage distortion and current distortion
Figure A.14 – Measured reduction of voltage distortion when four AICs are connected to the power supply network
Figure A.15 – Excerpts from a catalogue information of a power capacitor manufacturer; 760 V AC; (rated voltage: 690 V AC) for temperature calculation
Figure A.16 – Reactive power and losses of a power capacitor supplied by a source with constant reference voltage and variable frequency (Rcp = f(h))
Figure A.17 – Apparent power and losses of a typical power capacitor at different voltage distortion levels and the critical frequency boundaries (at singular frequency) where the temperature rise reaches substantial values (vertical arrows)
Figure A.18 – Voltage spectrum of an AIC and the impact of a line impedancereduction to the temperature of the capacitor (from 10 K to 0,44 K) andthe composition of the spectrum
Figure A.19 – A wind turbine plant and a mine winder drive connectedon the same power line
Figure A.20 – Power supply network configuration for the plantof Figure A.19 with allocated measurement points
Figure A.21 – Regular current of the CSI (AIC-filter disabled) and amplification of the current in case of resonance caused by the AIC-filter circuit (when AIC filter is enabled)
Figure A.22 – Basic principle of impedance measurement
Figure A.23 – Harmonic current generation by disturbing device
Figure A.24 – Measurement by switching a resistor
Figure A.25 – Measurement by a capacitor bank
Figure A.26 – A 6,6 kV power supply network impedance measurement systemfor islanding detection by injecting interharmonics
Figure B.1 – Withstand capability level towards harmonic voltages in the power supply network in view of permissible temperature rise within capacitors if the voltage distortion is determined either by one predominating frequency (upper line) or if the distortion is predominantly determined by a harmonic spectrum, caused by several parallel operated AICs (2-Level PWM) (lower line)
Figure B.2 – Harmonic voltage spectrum of one 2-Level PWM AIC with acceptable temperature increase of a power capacitor not exceeding 10 K
Figure B.3 – Maximum voltage distortion of a spectrum, caused by several AICs (single phase topologies)
Figure B.4 – Maximum voltage distortion of a spectrum, caused by several AICs (three phases topologies)
Figure B.5 – Spreadsheet of matching single phase AICs (2-level) to different power supply network conditions in order to apply the power capacitor limit curves
Figure B.6 – Spreadsheet of matching three phases AICs (2-level) to different power supply network conditions in order to apply the power capacitor limit curves
Figure B.7 – Illustration of the typical power supply network resonance frequency by increasing AIC filtering population, versus the voltage distortion level
Figure B.8 – Sketch of the typical size/cost of an AIC applicationversus switching frequency of the AIC
Figure B.9 – Illustration of the probability of overload and stress problems for the power supply network and the equipment connected thereto, depending on stipulated distortion levels fixed in miscellaneous assumptions
Figure B.10 – Results of the data collection versus the maximum values proposedin the IEC TS 62578 for products rated above 75 kVA
Figure B.11 – Results of the data collection versus the maximum values proposedin the IEC TS 62578 for products rated below 75 kVA
Figure B.12 – Results of the data collection versus the maximum values proposedin the IEC TS 62578 for products rated above 75 kVA
Figure B.13 – Recommended maximum emission values for AIC of different categoriesin the range from 9 kHz up to 150 kHz
Tables [Go to Page]
Table 1 – Parameters of line impedance stabilisation network for different power system impedance curves
Table 2 – Parameters of the LISN described in Figure 25 and Figure 26
Table A.1 – Condition state 1: positive current limit reached, transistor T1 is switch-off to reduce the current
Table A.2 – Condition state 2: negative current limit reached, transistor T2 is switch-off to reduce the current
Table A.3 – Condition state 0: current in phase R within tolerance range, pure voltage injection active (e.g. with PWM)
Table A.4 – Comparison of different PWM AICs of VSC topology
Table A.5 – Voltage distortion on both power lines (II and III) without and with filter circuit (the filter had been designed to achieve 0,2 % distortion level on the MV-power line)
Table A.6 – Current distribution within the network described for specific frequencies and on allocated measurement points as pointed out in Figure A.20
Table B.1 – AIC design recommendation for a maximum distortion factorin the frequency range from 2 to 9 kHz
Table B.2 – Recommended maximum emission values for AIC of different categories in the range from 9 kHz up to 150 kHz
Français [Go to Page]
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS
INTRODUCTION
1 Domaine d'application
2 Références normatives
3 Termes et définitions
4 Caractéristiques générales du système de convertisseurs à alimentation active MLI connectés au réseau d'alimentation [Go to Page]
4.1 Généralités
4.2 Topologies de base et principes de fonctionnement [Go to Page]
4.2.1 Généralités
4.2.2 Principes de fonctionnement
4.2.3 Circuit équivalent d'un AIC
4.2.4 Filtres
4.2.5 Modèles d'impulsions
4.2.6 Méthodes de commande
4.2.7 Commande des composantes du courant
4.2.8 Correction de facteur de puissance active
4.3 Caractéristiques assignées de l'AIC [Go to Page]
4.3.1 Généralités
4.3.2 Caractéristiques assignées du convertisseur dans les conditions sinusoïdales
4.3.3 Caractéristiques assignées du convertisseur en cas de courants harmoniques
4.3.4 Caractéristiques assignées du convertisseur dans les conditions dynamiques
5 Considérations relatives à la compatibilité électromagnétique (CEM) pour l'utilisation des AIC [Go to Page]
5.1 Généralités
5.2 Phénomènes à basse fréquence (< 150 kHz) [Go to Page]
5.2.1 Généralités
5.2.2 Topologies de convertisseur émergentes et leurs avantages pour le réseau d'alimentation
5.2.3 Égalisation active du réseau d'alimentation électrique
5.2.4 Impédances mesurées du réseau d'alimentation électrique dans la plage comprise entre 2 kHz et 20 kHz
5.2.5 Proposition de réseau de stabilisation d’impédance de ligne (RSIL) entre 2 kHz et 9 kHz
5.2.6 Effets sur les équipements industriels dans la bande de fréquences comprises entre 2 kHz et 9 kHz
5.3 Phénomènes à haute fréquence (> 150 kHz) [Go to Page]
5.3.1 Généralités
5.3.2 Atténuation de la distorsion
5.3.3 Immunité
5.3.4 Filtres EMI
5.4 Effets de bruit audible
5.5 Courants de fuite
5.6 Aspects relatifs à l'intégration de système et aux essais dédiés
6 Caractéristiques d'un convertisseur à alimentation active MLI de type à source de tension et de topologie à deux niveaux [Go to Page]
6.1 Généralités
6.2 Fonction générale, topologies de circuit de base
6.3 Commande de puissance
6.4 Performances dynamiques
6.5 Courants de ligne non sinusoïdaux souhaités
6.6 Courants de ligne non sinusoïdaux non souhaités
6.7 Disponibilité et aspects liés au système
6.8 Fonctionnement en mode de filtre actif
7 Caractéristiques d'un convertisseur à alimentation active MLI de type à source de tension et de topologie à trois niveaux [Go to Page]
7.1 Fonction générale, topologies de circuit de base
7.2 Commande de puissance
7.3 Performances dynamiques
7.4 Courants de ligne non sinusoïdaux non souhaités
7.5 Disponibilité et aspects liés au système
8 Caractéristiques d'un convertisseur à alimentation active MLI de type à source de tension et de topologie à plusieurs niveaux [Go to Page]
8.1 Fonction générale, topologies de circuit de base
8.2 Commande de puissance
8.3 Performances dynamiques
8.4 Distorsion du réseau d'alimentation électrique
8.5 Disponibilité et aspects liés au système
9 Caractéristiques d'un AIC F3E du type à source de tension [Go to Page]
9.1 Fonction générale, topologies de circuit de base
9.2 Commande de puissance et filtre côté réseau
9.3 Performances dynamiques
9.4 Courant harmonique
10 Caractéristiques d'un AIC du type à source de tension dans une topologie de hacheur d'impulsion [Go to Page]
10.1 Généralités
10.2 Fonction générale, topologies de circuit de base
10.3 Courant de ligne non sinusoïdal souhaité
10.4 Courant de ligne non sinusoïdal non souhaité
10.5 Fiabilité
10.6 Performances
10.7 Disponibilité et aspects liés au système
11 Caractéristiques d'un AIC MLI à deux niveaux du type à source de courant (CSC) [Go to Page]
11.1 Généralités
11.2 Fonction générale, connexions de base du convertisseur
11.3 Commande de puissance
11.4 Performances dynamiques
11.5 Distorsion du courant de ligne
11.6 Fonctionnement en mode de filtre actif
11.7 Disponibilité et aspects liés au système
Annexe A (informative) [Go to Page]
A.1 Méthodes de commande des AIC dans la topologique VCS (convertisseur à source de tension) [Go to Page]
A.1.1 Généralités
A.1.2 Considérations relatives aux méthodes de commande
A.1.3 Fonctionnalité d'alimentation continue de court-circuit pour l'alimentation de puissance décentralisée avec l'AIC
A.1.4 Mode d'alimentation sans panne
A.2 Exemples de réalisation pratique d'applications AIC [Go to Page]
A.2.1 AIC du type à source de courant (CSC)
A.2.2 Convertisseur à alimentation active avec commutation côté continu (convertisseur de puissance réactive)
A.3 Détails relatifs aux AIC à deux et à plusieurs niveaux dans la topologie VSC [Go to Page]
A.3.1 Propriétés des convertisseurs à alimentation active (MLI) à différents nombres de niveaux
A.3.2 Exemples de formes d'onde typiques des AIC
A.3.3 Construction et réalisation
A.4 Règles de transfert de base entre la distorsion de tension et de courant d'un AIC
A.5 Exemples de l'influence des AIC sur la qualité de la tension
A.6 Capacité de tenue des condensateurs de puissance à la distorsion dans la plage comprise entre 2 kHz et 9 kHz [Go to Page]
A.6.1 Généralités
A.6.2 Informations relatives à la charge harmonique admissible
A.6.3 Limites de fréquence pour des niveaux de distorsion admissibles
A.6.4 Spectre de fréquence des convertisseurs à alimentation active
A.6.5 Conclusion
A.7 Impact des mesures de filtre AIC supplémentaires dans la plage compriseentre 2 kHz et 9 kHz [Go to Page]
A.7.1 Généralités
A.7.2 Exemple de constellation de PDS (AIC et CSI)
A.7.3 Conclusion
A.8 Exemple de mesure de l'impédance du réseau d'alimentation électrique [Go to Page]
A.8.1 Généralités
A.8.2 Principe de base du mesurage
A.8.3 Méthodes d'injection de composante harmonique pour la mesure
A.8.4 Génération de courant harmonique par un dispositif perturbateur
A.8.5 Références basées sur l'injection de courant par perturbation (Méthode A)
A.8.6 Références reposant sur l'injection monofréquence sinusoïdale (Méthode B)
Annexe B (informative) [Go to Page]
B.1 Considérations de base relatives aux recommandations de conception des AIC dans la plage comprise entre 2 kHz et 9 kHz [Go to Page]
B.1.1 Vue d'ensemble
B.1.2 Généralités
B.1.3 Capacité de tenue des condensateurs de puissance raccordés au réseau d'alimentation électrique et recommandation en matière de compatibilité dans la plage de fréquences comprises entre 2 kHz et 9 kHz
B.1.4 Conditions de base pour la définition de la courbe de capacité de tenue du condensateur
B.1.5 Mise en correspondance de convertisseurs AIC (MLI à 2 niveaux) avec différentes conditions de réseau d'alimentation électrique sans surcharge du condensateur de puissance
B.1.6 Considérations relatives aux réseaux d'alimentation électrique moyenne tension
B.1.7 Considérations relatives au filtrage AIC
B.1.8 Considérations techniques et économiques appropriées relatives à l'AIC
B.1.9 Plage de fréquences comprises entre 2 kHz et 9 kHz
B.2 Recommandations de conception pour les émissions conduites d'AIC basse tension dans le contexte raisonnable de fréquences supérieures comprises entre 9 kHz et 150 kHz [Go to Page]
B.2.1 Généralités
B.2.2 Résultats de la collecte de données
B.2.3 Conclusions
Bibliographie
Figures [Go to Page]
Figure 1 – AIC dans la topologie VSC, structure de base
Figure 2 – AIC dans la topologie CSC, structure de base
Figure 3 – Circuit équivalent pour l'interaction du réseau d'alimentation avec un AIC
Figure 4 – Vecteurs de tension et de courant de la ligne et du convertisseur à la fréquence fondamentale pour différentes conditions de charge
Figure 5 – Questions fondamentales de la CEM comme instruments économiques
Figure 6 – Courant d'alimentation réseau typique iL(t) et tension uLN(t) d'un convertisseur à commande de phase avec sortie à courant continu et lissage inductif
Figure 7 – Courant d'alimentation réseau typique iL(t) et tension uLN(t) d'un convertisseur non commandé avec sortie à courant continu et lissage capacitif
Figure 8 – Courant d'alimentation réseau typique iL(t) et tension uLN(t) d'un AIC réalisé par un convertisseur MLI avec lissage capacitif sans filtre supplémentaire
Figure 9 – Exemple de puissance active et réactive de l'AIC (type VSC) qu'il est possible d'obtenir à différentes tensions entre phases en valeur relative (avec un transformateur combiné à 10 % et une tension de court-circuit de bobine d’inductance de filtre, rapport X/R = 10/1, tension continue = 6,5 kV)
Figure 10 – Principe de compensation d'harmoniques donnés dans le réseau d'alimentation à l'aide d'un AIC et d'une commande adaptée simultanément
Figure 11 – Distorsion de tension typiquetypique dans la tension entre phases et la tension phase-neutre générées par un AIC sans filtre supplémentaire (u en % et t en degrés)
Figure 12 – Caractéristique de base de la distorsion de tension relative (59ème harmonique) d'un AIC fonctionnant à la fréquence d'impulsion de 3 kHz par rapport à RSCe, l'impédance de ligne étant conforme à 5.2.4
Figure 13 – Caractéristique de base de l'émission de courant relative (59ème harmonique) d'un AIC à une fréquence d'impulsion de 3 kHz avec une impédance de ligne RSCe conforme à 5.2.4
Figure 14 – Circuit électrique monophasé des trois topologies de filtre de ligne passif en mode différentiel les plus souvent utilisées pour le VSC, et exemple d'amortissement passif
Figure 15 – Exemple d'atténuation de la tension entre phases du VSC à la tension entre phases au niveau du PCI, avec l’état de l’art des topologies de filtres de ligne passifs en mode différentiel
Figure 16 – Raccordement de l'appareil de mesure de l'impédance du réseau d'alimentation électrique
Figure 17 – Exemple d'impédance mesurée d'un transformateur basse tension en fonctionnement à vide S = 630 kVA, uk = 6,08 %
Figure 18 – Variation mesurée de l'impédance du réseau d'alimentation électrique à un endroit au cours de la journée
Figure 19 – Impédance du réseau d'alimentation électrique avec partie imaginaire partiellement négative
Figure 20 – Répartition de l'impédance du réseau d'alimentation (mesurée entre le conducteur de ligne et le conducteur de neutre) dans des réseaux basse tension en fonction de la fréquence
Figure 21 – Répartition statistique de l'impédance directe en fonction de la fréquence dans les réseaux d'alimentation électrique basse tension
Figure 22 – Circuit équivalent décrivant l'impédance de réseau d'alimentation électrique
Figure 23 – Topologie de circuit pour la simulation du réseau d'alimentation
Figure 24 – Courbe d'impédance approximée et mesurée à 50%
Figure 25 – Topologie de circuit monophasé conformément à l'IEC 61000-4-7+ utilisée pour le réseau de stabilisation d’impédance de ligne
Figure 26 – Topologie de circuit triphasé du réseau de stabilisation d’impédance de ligne
Figure 27 – Variation d'impédance dans la courbe de 90 % du RSIL décrit à la Figure 26
Figure 28 – PDS avec grande valeur de capacité à courant continu
Figure 29 – PDS avec grande valeur de capacité et inductance de ligne
Figure 30 – PDS avec grande valeur de capacité à courant continu et inductances dans la liaison à courant continu
Figure 31 – Topologie de filtre EMI de base
Figure 32 – Schéma fonctionnel d'un PDS doté d'un système de filtre EMI à haute fréquence
Figure 33 – Illustration de base de la topologie d'un AIC à source de tension MLI à deux niveaux
Figure 34 – Formes d'onde typiques des tensions uS1N / ULN, 1 et tension uS12 / ULN, 1 à la fréquence d'impulsion de 4 kHz
Figure 35 – Formes d'onde typiques de la tension en mode commun uCM / ULN,1 à la fréquence d'impulsion de 4 kHz
Figure 36 – Forme d'onde du courant iL1 / Iequ à la fréquence d'impulsion de 4 kHz, impédance relative de uSCV,equ = 6 %
Figure 37 – Schéma fonctionnel d'un AIC MLI à deux niveaux
Figure 38 – Distorsion du courant iL1 de la réactance Xequ, fréquence d'impulsion: 4 kHz, réactance relative de uSCV,equ = 6 %
Figure 39 – Tensions typiques uL1N / ULN, 1 et uL12 / ULN, 1 à la fréquence d'impulsion de 4 kHz, réactance relative uSCV,equ = 6 %, RSCe= 100
Figure 40 – Topologie de base d'un AIC à trois niveaux. Pour un entraînement électrique de puissance (PDS) la même topologie peut également être utilisée côté charge
Figure 41 – Forme de courbe typique de la tension entre phases d'un convertisseur MLI à trois niveaux
Figure 42 – Exemple de variation de charge soudaine d'un convertisseur à trois niveaux de 13 MW lorsque la commande de courant atteint un temps de réponse de l'ordre de 5 ms
Figure 43 – Topologie typique d'un AIC à quatre niveaux à condensateur flottant (FC) utilisant des transistors bipolaires à grille isolée
Figure 44 – Forme de courbe typique de la tension entre phases d'un AIC à plusieurs (quatre) niveaux
Figure 45 – Distorsion de fréquences et d'amplitudes dans la tension d'alimentation (mesurée directement au niveau des bornes du pont de la Figure 25) et le courant de ligne d'un AIC à plusieurs niveaux (quatre) (transformateur à 10 % de tension de court-circuit)
Figure 46 – Topologie d'un AIC F3E
Figure 47 – Filtre côté réseau et circuit équivalent pour le comportement du convertisseur F3E du réseau d'alimentation électrique
Figure 48 – Fonction de transfert de courant avec RSCe = 100 et RSCe = 750 et un filtre côté réseau: G(f) = iL1/ iconv
Figure 49 – MLI – Distorsion de tension sur l'impédance du réseau d'alimentation électrique d'une alimentation F3E comprenant un filtre côté réseau d'alimentation électrique
Figure 50 – Spectre de courant d'entrée d'un convertisseur F3E de 75 kW
Figure 51 – Spectre harmonique du courant d'entrée d'un convertisseur F3E avec RSCe = 100
Figure 52 – Illustration d'un effet de distorsion provoqué un convertisseur monophasé avec une charge capacitive
Figure 53 – Hacheur d'impulsion d'AIC courant alternatif/courant alternatif, circuit de base
Figure 54 – Illustration d'une topologie de convertisseur pour un AIC à source de courant
Figure 55 – Formes d'onde typiques des courants et tensions d'un AIC à source de courant à fréquence de commutation élevée
Figure 56 – Schéma fonctionnel typique d'un AIC MLI à source de courant
Figure 57 – AIC à source de courant faisant office de filtre actif afin de compenser les courants harmoniques générés par une charge non linéaire
Figure 58 – Réponse à un échelon (valeur de référence et valeur réelle) d'un AIC à source de courant à basse fréquence de commutation [33].
Figure A.1 – Plan de principe de modulation par injection de tension et de courant combinée pour bras de phase R
Figure A.2 – Exemple de courant de phase commandé pendant un creux de tension au niveau du réseau d'alimentation électrique utilisant une hystérésis plus une commande MLI
Figure A.3 – Formes d'onde typiques du courant du réseau d'alimentation électrique et tension d'un AIC à source de courant à basse fréquence de commutation [33]
Figure A.4 – Courants et tensions dans un interrupteur (à semi-conducteurs) d'un AIC et d'un convertisseur côté machine à source de courant à basse fréquence d'impulsion [33]
Figure A.5 – Taux de distorsion harmonique totale en courant dans un réseau d'alimentation électrique et d'un moteur [33] restant toujours inférieur à 8 % (triangles dans la ligne droite) dans cette application
Figure A.6 – Topologie de base d'un AIC avec commutation côté continu (variante à six impulsions)
Figure A.7 – Performances dynamiques d'un convertisseur de puissance réactive
Figure A.8 – Courant côté réseau d'un convertisseur de puissance réactive à douze impulsions en mode de fonctionnement capacitif et inductif (uSCV,equ = 15 %)
Figure A.9 – Origine de la forme d'onde du courant d'un convertisseur de puissance réactive par la tension d'alimentation (sinusoïdale) et la tension du convertisseur (rectangulaire)
Figure A.10 – Topologie à deux niveaux avec tension nominale maximale de 1 200 V et échelle de temps de 5 ms/div
Figure A.11 – Topologie à trois niveaux avec tension nominale maximale de 2 400 V et échelle de temps de 5 ms/div
Figure A.12 – Topologie à quatre niveaux avec tension nominale maximale de 3 300 V et échelle de temps de 5 ms/div
Figure A.13 – Influence générale des caractéristiques significatives en fonction de la distorsion de tension et de la distorsion de courant
Figure A.14 – Réduction mesurée de la distorsion de tension lorsque quatre AIC sont raccordés au réseau d'alimentation électrique
Figure A.15 – Extraits d'informations d'un fabricant de condensateur de puissance; 760 V courant alternatif; (tension assignée: 690 V courant alternatif) pour le calcul de température
Figure A.16 – Puissance réactive et pertes du condensateur de puissance alimenté par une source avec tension de référence constante et fréquence variable (Rcp = f(h))
Figure A.17 – Puissance apparente et pertes d'un condensateur de puissance typique à différents niveaux de distorsion de tension, et limites de fréquence critiques (à la fréquence singulière) où l'échauffement atteint des valeurs substantielles (flèches verticales)
Figure A.18 – Spectre de tension d'un AIC et impact d'une réduction de l'impédance de ligne sur la température du condensateur (de 10 K à 0,44 K) et la composition du spectre
Figure A.19 – Éolienne et entraînement de machine d'extraction raccordés à la même ligne d'énergie
Figure A.20 – Configuration du réseau d'alimentation pour l'usinede la Figure A.19 avec points de mesure attribués
Figure A.21 – Courant régulier du CSI (filtre AIC désactivé) et amplification du courant en cas de résonance provoquée par le circuit de filtrage AIC (lorsque le filtre AIC est désactivé)
Figure A.22 – Principe de base du mesurage d'impédance
Figure A.23 – Génération de courant harmonique par le dispositif perturbateur
Figure A.24 – Mesurage par commutation d'une résistance
Figure A.25 – Mesure par une batterie de condensateurs
Figure A.26 – Système de mesure de l'impédance du réseau d'alimentation électrique de 6,6 kV pour la détection d'îlotage par injection d'interharmoniques
Figure B.1 – Niveau de capacité de tenue en fonction des tensions harmoniques dans le réseau d'alimentation électrique compte tenu de l'échauffement admissible à l'intérieur des condensateurs si la distorsion de tension est déterminée soit par une fréquence prédominante (ligne supérieure) soit, si la distorsion est essentiellement déterminée par un spectre harmonique, générée par plusieurs AIC fonctionnant en parallèle (MLI à 2 niveaux) (ligne inférieure)
Figure B.2 – Spectre de tension harmonique d'un AIC MLI à 2 niveaux dont l'échauffement acceptable d'un condensateur de puissance ne dépasse pas 10 K
Figure B.3 – Distorsion de tension maximale d'un spectre, générée par plusieurs AIC (topologies monophasées)
Figure B.4 – Distorsion de tension maximale d'un spectre, générée par plusieurs AIC (topologies triphasées)
Figure B.5 – Feuille de calcul de mise en correspondance des AIC monophasés (2 niveaux) à différentes conditions de réseau d'alimentation électrique afin d'appliquer les courbes limites de condensateur de puissance
Figure B.6 – Feuille de calcul de mise en correspondance des AIC triphasés (2 niveaux) à différentes conditions de réseau d'alimentation électrique afin d'appliquer les courbes limites de condensateur de puissance
Figure B.7 – Illustration de la fréquence de résonance typique du réseau d'alimentation électrique par augmentation de la population de filtrage AIC, en fonction du niveau de distorsion de tension
Figure B.8 – Schéma de la taille/du coût habituels d'une application AIC par rapport à la fréquence de commutation de l'AIC
Figure B.9 – Illustration de la probabilité de problèmes de surcharge et de contrainte du réseau d'alimentation électrique et de l’équipement qui y est raccordé, en fonction des niveaux de distorsion stipulés fixés dans diverses hypothèses
Figure B.10 – Résultats de la collecte de données par rapport aux valeurs maximales proposées dans l'IEC TS 62578 pour les produits présentant des caractéristiques assignées supérieures à 75 kVA
Figure B.11 – Résultats de la collecte de données par rapport aux valeurs maximales proposées dans l'IEC TS 62578 pour les produits présentant des caractéristiques assignées inférieures à 75 kVA
Figure B.12 – Résultats de la collecte de données par rapport aux valeurs maximales proposées dans l'IEC TS 62578 pour les produits présentant des caractéristiques assignées supérieures à 75 kVA
Figure B.13 – Valeurs d’émission maximales recommandées pour les AIC de différentes catégories dans la plage comprise entre 9 kHz et 150 kHz
Tableaux [Go to Page]
Tableau 1 – Paramètres du réseau de stabilisation d'impédance de ligne pour différentes courbes d'impédance de réseau d'alimentation
Tableau 2 – Paramètres du RSIL décrit à la Figure 25 et la Figure 26
Tableau A.1 – État de condition 1: limite de courant positif atteinte, le transistor T1 est coupé pour réduire le courant
Tableau A.2 – État de condition 2: limite de courant négatif atteinte, le transistor T2 est coupé pour réduire le courant
Tableau A.3 – État de condition 0: courant en phase R dans la plage de tolérance, injection de tension pure active (avec la MLI, par exemple)
Tableau A.4 – Comparaison des différents AIC MLI de la topologie VSC
Tableau A.5 – Distorsion de tension sur les deux lignes d'énergie (II et III) avec et sans circuit de filtrage (le filtre a été conçu pour obtenir un niveau de distorsion de 0,2 % sur la ligne d'énergie MT)
Tableau A.6 – Distribution de courant dans un réseau décrite pour des fréquences spécifiques et sur des points de mesure attribués comme indiqué à la Figure A.20
Tableau B.1 – Recommandation de conception de l'AIC pour un facteur de distorsion maximal dans la plage de fréquences comprises entre 2 kHz et to 9 kHz
Tableau B.2 – Valeurs d’émission maximales recommandées pour les AIC de différentes catégories dans la plage comprise entre 9 kHz et 150 kHz [Go to Page]

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PD IEC/TS 62578:2015 Power electronics systems and equipment. Operation conditions and characteristics of active infeed converter (AIC) applications including design recommendations for their emission values below 150 kHz, 2015

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