電力特性高調波・ジェネレーター適切なサイジング · WSHF 燃料・排出ガス技術記事 · EGSA 電力線 Q3 2019

発電機と非線形負荷: 高調波緩和によりオーバーサイジング要件を排除する方法 — Mirus International

デニスRuest, 修士号. (適用済み), P.Eng. (レット。) — IPQDF の解説・・ソース: T. ヘーベナールス P.Eng. & M. マグロウ — Mirus International Inc. ・・初版発行: EGSA電力線, Q3 2019

ソース & 了承

この記事は、次の著者による技術文書を紹介および拡張したものです。 アンソニー (トニー) Hoevenaars, P.Eng. (社長 & CEO, 株式会社ミラスインターナショナル) と マイケル・マグロウ (米国南部地域マネージャー, 株式会社ミラスインターナショナル), 最初に出版されたのは EGSA電力線, Q3 2019, 発電システム協会による. IPQDF 教育目的のために、出典を明示して複製および改変されています. で入手可能 mirusinternational.com.

ケーススタディのパラメータの概要

ロード	200 HP (150 キロワット), 480 V ポンプ — 6 パルス PWM ASD
場所	遠隔地の無人現場, 米国中西部 — 独立型発電機供給
オリジナルジェネレーター	176 kW — 不安定性と ASD 障害の原因
特大発電機	500 kW — 問題は軽減されるが、排除されない
緩和テスト済み	フィルターなし→ 3% ACリアクトル → ワイドスペクトラム高調波フィルタ (WSHF)
WSHFの結果 (500 kW発電機)	THD_私 5.7%, THD_で 2.3%, 本当の力 111.5 kW 対. 137.5 リアクトル付きkW
適切なサイズの発電機	350 kW 天然ガス — THD_私 5.8%, THD_で 2.5% 現場測定により確認済み
燃料の節約 (300 kW 対. 500 キロワット)	38.1% 削減 - $12,000+ 米ドル/月
CO₂削減	33,120 kg/月 (に相当 84 自動車が減った)

01 問題: オーバーサイジングが解決策ではない

可変速走行時 (自閉症), UPSシステム, コンピュータ機器, およびその他のパワーエレクトロニクス負荷が発電機に接続されている, 従来の業界の対応は、発電機を大きくしすぎることです。 2 へ 2.5 定格容量の倍 — これらの非線形負荷が生成する高調波電流に対応するため. この経験則は広く守られていますが、ほとんど理解されていません, そしてその結果は重大です.[1]

オーバーサイジングをしないことによる影響は現実的です: 電圧低下状態, 発電機の過負荷, 有害なトリップ, AVR誤操作, 発電機の故障, 電圧上昇による歪みによる負荷機器の損傷. しかし、オーバーサイズの影響もまた現実であり、多くのアプリケーションで発生します。, 彼らのほうが大きな問題だ:

資本コストが高い — 500 kW 発電機のコストは 1 台の発電機よりも大幅に高くなります 200 同じ有効負荷に対する kW 単位
作業効率が悪い — ディーゼル発電機は 75 ～ 85% の負荷で最も効率的に動作します. 20 ～ 30% の負荷で動作する大型の発電機は、供給される kWh 当たりの燃料消費量も比例して増加します。
排出量の増加 — より多くの燃料が燃焼されるということは、より多くの CO₂ を意味します, 粒子状物質, CO, 窒素酸化物と. 1 リットルのディーゼルは約 2.4 ～ 3.5 kg の CO₂ を排出します。
運用コストが高くなる - 燃料, メンテナンス, リース費用はすべて発電機の規模に応じて変わります

この記事の核心的な主張は単純明快です: オーバーサイジングは、直接的な技術的解決策がある問題に対する工学的な回避策です。. 効果的な高調波緩和を適用し、発生源での高調波電流を削減し、発電機を実際の負荷に合わせて適切なサイズに設定できます。, 緩和されていない高調波を考慮した架空の 2x 負荷ではありません.[1]

排出量に関する議論は自明ではない

ディーゼル発電機は粒子状物質を放出します (ディーゼル煤煙とエアロゾル), 一酸化炭素, 二酸化炭素, 窒素酸化物と. 1 US ガロンのディーゼルを消費すると、およそ 10.2 CO₂ kg. 余分な燃料を燃やす特大の発電機 24 時間, 365 年間日数は測定可能かつ回避可能な排出負荷を生み出します. この記事のケーススタディは、 33,120 適正化による 1 か月あたりの CO₂ kg 削減 — 廃棄物を削減するのと同等 84 道路から見た自動車. これはわずかな影響ではありません.

02 発電機理論: 高調波負荷が発電機に影響を及ぼす理由

2.1 ソースインピーダンス — 基本パラメータ

同期発電機は、比較的 “弱い” 電圧源と電力網との比較. そのソースインピーダンスは、不飽和亜過渡リアクタンス X によって特徴付けられます。”d — 発電機のベースインピーダンスのパーセンテージとして表されます。. 典型的な X”d 値の範囲は次のとおりです。 10% オーバーする 20% メーカーによっては, 容量, そして設計意図.[1]

Xが大きいほど”D, ソースが弱いほど. 豊富な短絡容量を備えた電力系統接続では、産業用顧客のサービス入口での実効電源インピーダンスが 1 ～ 3% になる可能性があります。. 同じ母線のディーゼル発電機の電源インピーダンスは 10 ～ 20%. 電源インピーダンスのこの 5 ～ 20 倍の違いが、商用電源では問題のない高調波問題が発電機電源では深刻になる根本原因です。.

高 X を指定する場合の重要な注意事項”D

エンジニアは、システムの障害レベルを下げるために、過渡リアクタンスが高い発電機を指定することがあります。これにより、保護調整の目的で利用可能な短絡電流が制限されます。. これは正当な目標です, しかしそれは重大な予期せぬ結果をもたらします: 高い×”d ジェネレータはソースインピーダンスが高い, これにより、同じ非線形負荷電流に対してより多くの電圧歪みが発生します。. 高調波軽減を指定せずに高インピーダンス発生器を指定すると、標準インピーダンスのマシンよりも高調波の問題が大幅に悪化する可能性があります。.[1]

2.2 発電機における高調波損失の 3 つのメカニズム

高調波電流は、3 つの異なる損失メカニズムを通じて発電機容量を低減します。, これらはすべて動作温度を上昇させ、有効な電力を供給する発電機の能力を低下させます。:[1]

ショックアブソーバー (ダンパー) ケージ損失 — ステーター内の高調波電流からの漂遊磁場により、ローターのダンパーケージ内に循環電流が誘導されます。. ケージ抵抗はこれらの循環電流を熱に変換します。, 発電機が生成する必要があるが、有益な仕事をしない電力を表します。.
表皮効果 I²R 損失 — 高調波周波数で, 電流は導体の外表面に集中します (表皮効果). 固定子巻線の実効抵抗は高調波周波数で増加します, DC 抵抗の予測値を超えて I²R 損失が増加する.
コアロス — 発電機コア内の高調波磁束により、追加の渦電流損失とヒステリシス損失が発生します, さらに効率が低下し、動作温度が上昇します.

2.3 電圧歪みに対するAVR感度

自動電圧調整器 (AVR) 発電機の界磁励起を制御して出力電圧を一定に維持します. AVR電圧検出回路は、真のRMS電圧または基本成分に応答する必要がありますが、高調波歪みには応答してはならない. 非線形負荷により端子電圧が大きく歪んだ場合, 多くの AVR 設計は、クリーンな基本周波数信号を抽出するのに苦労しています。, 狩猟につながる, 発振, または電圧調整の喪失. 発電機の出力から電源を供給する励磁制御システムもさらに脆弱です。, 電源が歪んでいると励起電子機器自体が誤動作する可能性があるため.[1]

03 ソースインピーダンスの影響: THDi と THDv の直感に反する関係

発電機から給電されるシステムにおける高調波の最も重要でありながら最も理解されていない側面の 1 つは、電源インピーダンスの変化に伴う電流歪みと電圧歪みの逆関係です。. 同測定データ 15 HP, 480 で, 6-2 つの異なる供給源で動作するパルス ASD は、これを明確に示しています.[1]

3.1 公共事業供給の逼迫

の入力電流波形 15 堅固なユーティリティソース上の HP 6 パルス ASD, THD<sub>私</sub> 108%” スタイル=”最大幅:100%;身長:オート;境界半径:4ピクセル;”> <p class=

イチジク. 1. 入力電流 15 HP, 6-硬いユーティリティソースでASDをパルスする. THD_私 = 108% — フィルタなしの 6 パルス整流器の特徴的な鋭いダブルパルス波形. この非常に大きな電流歪みにもかかわらず、, 電源インピーダンスが低いため、電圧歪みは無視できます。. ソース: ミラス・インターナショナル / EGSA 電力線 Q3 2019.[1]

の入力電圧波形 15 堅固なユーティリティソース上の HP 6 パルス ASD, THD<sub>で</sub> 2.2%” スタイル=”最大幅:100%;身長:オート;境界半径:4ピクセル;”> <p class=

イチジク. 2. 入力電圧 15 HP, 6-硬いユーティリティソースでASDをパルスする. THD_で = 2.2% — 低い電源インピーダンスにより、大きな電圧歪みを発生させることなく高調波電流を吸収します。. 電圧波形は基本的に正弦波です. ソース: ミラス・インターナショナル / EGSA 電力線 Q3 2019.[1]

3.2 発電機の電源が弱い - 同じドライブ, 同じ負荷

の入力電流波形 15 弱い発電機ソースでの HP 6 パルス ASD, THD<sub>私</sub> 25.8%” スタイル=”最大幅:100%;身長:オート;境界半径:4ピクセル;”> <p class=

イチジク. 3. 同入力電流 15 HP ASD, 現在は弱い発電機源から電力が供給されています. THD_私 = 25.8% — 高い電源インピーダンスが電流パルスを平滑化するため、硬い商用電源よりも低くなります。. ソース: ミラス・インターナショナル / EGSA 電力線 Q3 2019.[1]

の入力電圧波形 15 弱い発電機ソースでの HP 6 パルス ASD, THD<sub>で</sub> 13.8%” スタイル=”最大幅:100%;身長:オート;境界半径:4ピクセル;”> <p class=

イチジク. 4. 入力電圧も同じ 15 弱いジェネレータソース上の HP ASD. THD_で = 13.8% — 深刻なフラットトップが見える. THDiが低いにもかかわらず, 高調波電流は発電機の電源インピーダンスが高いので流れるため、電圧歪みは壊滅的に悪化します。. ソース: ミラス・インターナショナル / EGSA 電力線 Q3 2019.[1]

重要な洞察 — THDi は低下しますが、弱いソースでは THDv が上昇します

公共電源について: THDi = 108%, THDv = 2.2%.
発電機の電源について: THDi = 25.8%, THDv = 13.8%.

現在の歪みは減少しました 75% — ただし、電圧歪みは 6 倍以上増加しました. 発電機の高い電源インピーダンスにより、電流パルスが平滑化されます。 (THDiの削減) 同時に、同じ高調波電流を深刻な電圧歪みに変換します。 (THDvの増加). これが、発電機の電源で測定された THDi を公共システムの THDi 測定と直接比較できない理由です。測定基準は電源インピーダンスによって意味が変わります。. 電圧歪みは機器の信頼性にとって重要な結果です, 発電機では、電流歪みがわずかに見える場合でも、壊滅的な事態になる可能性があります。.

04 広帯域高調波フィルター: 設計とジェネレーターの互換性

4.1 WSHF トポロジ

ワイドスペクトル高調波フィルター (WSHF) ブロッキング要素と同調フィルタ要素の組み合わせを使用するパッシブ直列接続フィルタです。. 特定の高調波次数をターゲットとする調整されたパッシブフィルターとは異なります。, WSHF は、広い周波数範囲にわたって高調波を低減し、6 パルス整流器のすべての特性高調波を減衰します。 (5番目の, 7番目の, 11番目の, 13番目の) 同時に. THD_私全負荷時は次のような低さまで下げることができます 5% ドライブに AC リアクトルが含まれるか DC リアクトルが含まれるかに関係なく.[1]

ブロッキング要素 L1/L2 と同調フィルタリング要素 L3/C を示す広スペクトル高調波フィルターの回路図

イチジク. 5. 広帯域高調波フィルターの回路図. ブロック要素を組み合わせたデザイン (L1, L2 — 相互結合を利用した共通コア上の複数の巻線) 調整されたフィルターエレメントを搭載 (L3, ℃). 入力端子から見た共振周波数は 4 次高調波に近く、三相整流器の主高調波よりも低くなります。. ソース: ミラス・インターナショナル / EGSA 電力線 Q3 2019.[1]

4.2 発電機にとって低い容量性リアクタンスが重要な理由

WSHF コンデンサバンクの設計は、発電機から給電されるアプリケーションにとって特に重要です. 共通のコアリアクトル上の複数の巻線間の相互結合により、大幅に小さいコンデンサバンクの使用が可能になります。通常は、 15% 全負荷定格に対する無効電力の割合. これは、競合するパッシブフィルター設計との重要な差別化要因です。.[1]

多くの広帯域フィルタは、次の静電容量値を備えています。 30% kW 定格に比べてそれ以上. 軽負荷時, 高調波フィルタリングの需要は低いが、容量性無効電力がまだ存在する場合, これらの大きなコンデンサバンクは、発電機の AVR 調整を妨げる力率の上昇や電圧上昇を引き起こす可能性があります。. 一部のサプライヤーは、軽負荷時にコンデンサを切り替えることでこの問題に対処しています。これにより、発電機の安定性が最も重要な負荷レベルでのフィルターの高調波緩和機能が同時に失われます。. WSHF は本質的に容量性リアクタンスが低いため、スイッチングコンタクタを必要とせずにこの問題を回避します。.

4.3 上流高調波輸入保護

複数の非線形負荷が共通の発電機バスを共有する設置環境, 1 つのドライブ上の高調波フィルタは、同じバス上の他のドライブから流入する高調波電流によって過負荷になってはなりません. WSHF 設計は、共振周波数を配置することでこれに対処します。 (入力端子から見た様子) 第 4 高調波付近 - 三相整流器の主な特性である第 5 高調波より下. これは、バス上の他の負荷からの高調波電流がフィルタ入力端子で高インピーダンスとなり、フィルタへの流入が阻止されることを意味します。. フィルターはネットワークから自身を保護します.

05 ケーススタディ: 200 HP リモートポンプ — から 500 キロワットから 350 kW発電機

ケーススタディは、 200 HP (150 キロワット), 480 米国中西部の無人遠隔地にある V ポンプ, 独立型ディーゼル発電機から供給される. これは、この IPQDF シリーズの前半の Plains All-American Pipeline ケーススタディで文書化されたアプリケーションと同じです。EGSA Powerline の記事では、商用ケーススタディで要約された完全な技術分析が提供されています。.[1]

5.1 失敗のシーケンス

オリジナル 176 kW 発電機により発電機が不安定になり、ASD 故障が繰り返されました. 発電機メーカーの推奨に従ってください, A 500 kW発電機が設置されました. これにより、ASD の動作上の問題は軽減されましたが、解消されませんでした。高調波電流は依然として存在していました。, まだ損失を引き起こしている, まだ電圧が歪んでいる. 特大の発電機は、致命的な故障を起こすことなく影響を吸収できるだけの十分な大きさでした。.

5.2 3方向シミュレーション: フィルターなし, ACリアクトル, WSHF

コンピュータシミュレーションを行ったところ、 500 電力を供給するkW発電機 200 HP ASD: 90% 3 つの条件で負荷をかける. 発電機の過渡リアクタンス X”d = 11.8%, 力率 = 0.8.[1]

パラメータ	緩和策なし	3% ACリアクトル	WSHF
THD_で	7.6%	5.4%	1.7%
THD_私	44.7%	32.0%	6.6%
現在の (A)	198.8	191.5	180.3
本当の力 (キロワット)	147.2	146.9	148.3

5.3 フィールド測定 – AC リアクトルと AC リアクトルの比較. WSHF の 500 kW発電機

現場測定はポンプ流量で行われました。 240 前立腺肥大症, 別個の制御ループによって制御される. 間の比較 3% ACリアクトル (既存 ) そしてWSHF (交換として取り付けられました) シミュレーション結果を確認し、予想外のさらなる利点を明らかにしました:[1]

パラメータ	3% ACリアクトル	WSHF	改善
THD_で	6.0%	2.3%	62% 削減
THD_私	23.7%	5.7%	76% 削減
現在の (A)	181	137	24% 削減
本当の力 (キロワット)	137.5	111.5	19% 削減同じ流量で

予想外のこと 19% 電力削減

ポンプは同じものを納品しました 240 BPH スループットの消費 111.5 WSHF を使用した場合の kW との比較 137.5 AC リアクトルを使用した場合の kW — a 19% 同一の生産量での実質消費電力の削減. シミュレーションではこれを予測していませんでした. 2 つのメカニズムが寄与している可能性がある: WSHF は AC リアクトルよりも挿入損失が低い (電圧降下が少ない = モーター端子電圧が高い = 同じトルクでも電流が少ない), 高調波電圧歪みの除去により、ASD がより効率的に動作できるようになります。. この 19% 一定のスループットでのエネルギーの節約は予想外であり、プロジェクトの経済性が大幅に改善されました.

5.4 に合わせた適切なサイズ設定 350 kW 発電機 — シミュレーションとフィールド測定

THDあり_私以下 10%, 発電機のディレーティング係数は 2 ～ 2.5 倍から 1.4 倍に低下しました。. ポンプのみが必要になりました 111.5 kW 有効電力 — 発電機を次のように小さくすることを正当化する 200 計算によるkW. オペレーター, 失敗の歴史を考えると慎重なのは当然だ, を選んだ 350 代わりにkWの天然ガス発電機, ディーゼルから利用可能なフレアガスへの変換.[1]

パラメータ	コンピュータシミュレーション (350 kW発電機)	フィールド測定 (350 kW発電機)
THD_で	2.3%	2.5%
THD_私	6.2%	5.8%
現在の (A)	180.6	144
本当の力 (キロワット)	148.5	117.6
真のPF	0.99	0.99

シミュレーションとフィールド測定はTHDに関して緊密に一致_でおよびTHD_私. どちらの値も IEEE を満たしています 519 小型の発電機で要件を快適に満たす.[2] ほぼ単一の真の力率 (0.99) モータの誘導無効電力を補償する WSHF コンデンサを反映し、発電機の負荷を軽減し、システム効率を向上させます。.

06 燃料消費量と排出ガス: ビジネスケースの定量化

燃料と排出ガスの分析では、3 つの動作シナリオを同時に比較しました。 240 前立腺肥大のスループット: 500 ACリアクトル付kW発電機 (ベースライン), 500 WSHF付きkW発電機, と 300 WSHF付きkW発電機. ディーゼルコスト: $3.80 米ドル/ガロン. CO₂排出係数: 10.2 kg/ガロン. 操作: 24 時間/日, 7 日/週.[1]

パラメータ	500 キロワット + ACリアクトル	500 キロワット + WSHF	300 キロワット + WSHF
ロード (キロワット)	137.5	111.5	117.2
ロード %	27.4%	22.2%	39.2%
燃料料金 (ガル/時)	11.8	10.1	7.3
月々の燃料 (ガル/月)	8,496	7,272	5,256
月々の燃料費 (米ドル)	$32,285	$27,634	$19,973
毎月の燃料節約	-	$4,651 (14.4%)	$12,312 (38.1%)
毎月のCO₂ (kg)	86,400	74,160	53,280
月々のCO₂削減量 (kg)	-	12,240	33,120

2 つのレベルのメリット

レベル 1 — 同じ上のWSHF 500 kW発電機: $4,651/月々の燃料節約, 12,240 kg CO₂/月削減. フィルターの回収: 1.5 月.

レベル 2 — 適切なサイズに調整 300 kW発電機 + WSHF: $12,312/月々の燃料節約, 33,120 kg CO₂/月削減 (削除するのと同等 84 サービスからの自動車). 発電機の適切なサイズにより、フィルターのみで達成できる燃料節約量をはるかに超えて燃料節約効果が高まります。.

ザ 500 22 ～ 27% の負荷で動作する kW 発電機は、最も効率の悪い領域で動作しています。. 適切なサイズの発電機 39% 負荷が絶対的に少ない燃料を使用するだけでなく、ディーゼルエンジン効率がより良いより高い負荷率で動作するため、供給されるkWh当たりの燃料使用量も少なくなります。. 2つの効果が複合する: 小型エンジン, 出力単位あたりの効率が向上.

07 PQ の視点: 完全なエンジニアリングの議論

7.1 この記事が PQ シリーズに属する理由

Hoevenaars と McGraw によるこの EGSA Powerline 記事は、この IPQDF シリーズにおける発電機、高調波、適正サイズの関係を技術的に最も完全に扱っています。. 商用のケーススタディでは得られなかったものを提供します: 基礎となるジェネレーターの物理学 (X”D, AVR感度, 表皮効果), THDi/THDvの関係を説明するソースインピーダンス理論, シミュレーション方法論, データテーブル, および排出量の定量化 - すべてが発電機業界の読者を対象とした単一の文書にまとめられています.

商用電力の品質に関する背景から, ここでの議論はよく知られていますが、枠組みが異なります. 公益事業エンジニアは、高調波をネットワーク汚染の問題として考えています。つまり、ある顧客が注入した高調波が近隣の顧客に影響を与えるということです。. 発電機のエンジニアは、高調波を容量と効率の問題として考えています。高調波は容量を消費し、損失が増加するため、発電機は定格出力を発揮できません。. どちらのフレームも正しい. 解決策は、ソースでの高調波電流を減らすことです。どちらの場合でも同じです。.

7.2 ディレーティング係数の遷移は次のとおりです。 10% THD_私

発電機メーカーが挙げる特定のしきい値 — THD の低減_私以下 10% ディレーティング係数は 2 ～ 2.5 倍から 1.4 倍に低下します。これが、適正化の議論全体が転換するエンジニアリングの要点です。. Lineator AUHF および Lineator WSHF は 5 ～ 8% の THD を確実に達成します。_私全負荷時, このしきい値を十分に下回る. A 3% AC リアクトルは通常 20 ～ 30% の THD を達成します_私 — しきい値を超える, したがって、2 倍のディレーティングが引き続き適用されます. この 1 つの性能の違いにより、ワイドスペクトラムパッシブフィルターが発電機の適正サイズ化を可能にするテクノロジーになります。.

7.3 シミュレーション + フィールド測定 — 適切な方法論

この記事の分析は、Mirus ケーススタディシリーズ全体で実証されているのと同じ方法論に従っています。: 設置前の高調波シミュレーションで解決策を確認, 設置後に現場で測定して性能を確認する. THDに関するシミュレーションとフィールド測定の緊密な一致_でおよびTHD_私 (0.2～0.4パーセントポイント以内) シミュレーションモデルとアプローチを検証します. 実際の電力に関する予期せぬ不一致（フィールド測定では一貫してシミュレーションよりも低い電力消費を示している）は正直に認められ、物理的影響によるものであると考えられます。 (挿入損失が低い, ASD効率の向上) シミュレーションソフトウェアがモデル化していないこと. シミュレーションの制限に関するこの種の透明性は、まさに信頼できるエンジニアリング解析に含まれるべきものです。.

シリーズの結論 — Mirus のケーススタディが総合的に示していること

この IPQDF シリーズの 11 件のケーススタディと技術リファレンス, 繰り返されるテーマには一貫性がある: 発電機から給電されるアプリケーションや電源に制約のあるアプリケーション, 高調波の問題は、電力会社に接続されたシステムよりも深刻です, 結果はより即時的です, そして、その解決策は、適切に設計されたパッシブ広スペクトル高調波フィルターであり、サイズを大きくしすぎないことです。, フィルタリングがアクティブではありません, 小さな負荷の場合はマルチパルス駆動ではありません. ケーススタディは油田にまたがる, パイプライン, 海洋船舶, ばら積み貨物船, 天然ガスプラント, 遠隔地の井戸跡, 地方自治体の水道事業, データセンター, および廃水処理. 物理学はアプリケーションによって変化しません. エンジニアリングの対応は次のようなものであってはなりません.

参照

[1] T. Hoevenaars, P.Eng. とM. マグロウ, “発電機と非線形負荷 — 高調波緩和により過剰なサイジング要件が不要,” EGSA電力線, Q3 2019, PP. 17–23. 発電システム協会, ボーカラトーン, フロリダ州. 株式会社ミラスインターナショナル, ブランプトン, オンタリオ, カナダ.
[2] IEEE規格 519-2022, “電力システムにおける高調波制御に関する IEEE 規格,” IEEE, ニューヨーク, NY, 2022.