Damping of torsional interaction effects in power systems [Elektronische Ressource] / Simon Schramm

Description

¨ ¨TECHNISCHE UNIVERSITAT MUNCHENLehrstuhl fur Energiewirtschaft und Anwendungstechnik¨Damping of Torsional InteractionEffects in Power SystemsSimon SchrammVollst¨andiger Abdruck der von der Fakulta¨t fu¨r Elektrotechnik und Informations-technik der Technischen Universitat Munchen zur Erlangung des akademischen¨ ¨Grades einesDoktor-Ingenieursgenehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Josef KindersbergerPrufer der Dissertation:¨1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rolf Witzmann3. Prof. Dr.-Ing. Gerd Becker (Hochschule Mu¨nchen)Die Dissertation wurde am 21.01.2010 bei der Technischen Universitat Munchen einge-¨ ¨reicht und durch die Fakultat fur Elektrotechnik und Informationstechnik am 23.06.2010¨ ¨angenommen.DanksagungDie vorliegende Dissertation entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher¨ ¨Mitarbeiter im Bereich Hochleistungselektronik und Energiesysteme am Europa¨ischenForschungszentrum der Firma General Electric. Wa¨hrend dieser Zeit bin ich so vielenMenschen begegnet, die mir ihr Wissen und ihre Unterstu¨tzung zuteil werden ließen, dasses mir unmoglich erscheint, alle hier namentlich zu erwahnen.¨ ¨Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr.-Ing.

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

TECHNISCHEUNIVERSITA¨TMU¨NCHEN

Lehrstuhlfu¨rEnergiewirtschaftundAnwendungstechnik

DampingofTorsionalInteraction
EectsinPowerSystems

SimonSchramm

Vollsta¨ndigerAbdruckdervonderFakulta¨tfu¨rElektrotechnikundInformations-
technikderTechnischenUniversita¨tMu¨nchenzurErlangungdesakademischen
Gradeseines

genehmigtenDissertation.

Doktor-Ingenieurs

Vorsitzender:Univ.-Prof.Dr.-Ing.JosefKindersberger

Pru¨ferderDissertation:
1.Univ.-Prof.Dr.-Ing.UlrichWagner
2.Univ.-Prof.Dr.-Ing.RolfWitzmann
3.Prof.Dr.-Ing.GerdBecker(HochschuleMu¨nchen)

DieDissertationwurdeam21.01.2010beiderTechnischenUniversita¨tMu¨ncheneinge-
reichtunddurchdieFakulta¨tfu¨rElektrotechnikundInformationstechnikam23.06.2010
angenommen.

Danksagung

DievorliegendeDissertationentstandwa¨hrendmeinerTa¨tigkeitalswissenschaftlicher
MitarbeiterimBereichHochleistungselektronikundEnergiesystemeamEuropa¨ischen
ForschungszentrumderFirmaGeneralElectric.Wa¨hrenddieserZeitbinichsovielen
Menschenbegegnet,diemirihrWissenundihreUnterstu¨tzungzuteilwerdenließen,dass
esmirunmo¨glicherscheint,allehiernamentlichzuerwa¨hnen.
MeinbesondererDankgiltHerrnProfessorDr.-Ing.UlrichWagner,LeiterdesLehrstuhl
fu¨rEnergiewirtschaftundAnwendungstechnikderTechnischenUniversita¨tMu¨nchenfu¨r
diesteteUnterstu¨tzungmeinerArbeit,dieAnregungenunddaskritischenHinterfragen
derangewandtenMethodikundErgebnisse.
MeinDankgiltauchHerrnProfessorDr.-Ing.RolfWitzmannfu¨rdie¨Ubernahmedes
Korreferats,undHerrnProfessorDr.-Ing.JosefKindersbergerfu¨rdie¨Ubernahmedes
Pru¨fungsvorsitzes.
Besondersmo¨chteichmichbeiHerrnProfessorDr.-Ing.GerdBeckerundbeiHerrnProfes-
sorDr.-Ing.OliverMayerbedankenfu¨rdiestetige,wertvolleUnterstu¨tzungintechnischen
undanderen“Fragen.
”Ganzbesondersmo¨chteichmichauchbeiHerrnDr.-Ing.ChristofSihlerfu¨rdiehervor-
ragendeZusammenarbeitundUnterstu¨tzungwa¨hrendmeinerganzenZeitbeiGeneral
Electricbedanken.Erhatesimmersehrgutverstanden,michvoranderenAufgabenim
Forschungszentrumzubewahren,sodassichmichaufdieseArbeitkonzentrierenkonnte.
AllenMitarbeiterinnenundMitarbeiterndesForschungszentrumsunddesLehrstuhlsfu¨r
EnergiewirtschaftundAnwendungstechnikmo¨chteichfu¨rdiekollegialeZusammenarbeit
undUnterstu¨tzungdanken.
Ganzherzlichmo¨chteichmichbeimeinerFamiliebedanken,diemichwa¨hrenddieser
nichtimmereinfachenZeitdurchihreUnterstu¨tzungundLiebegetragenhat.

Mu¨nchen,03.Mai2010
SimonSchramm

iii

oT

yM

Family

Zusammenfassung

Drehzahlvera¨nderlicheAntriebeermo¨glicheneinenenergieezientenAnlagenbetrieb.Die
dazuerforderlicheLeistungselektronikerzeugtStromkomponentenmit(inter)harmonischen
Frequenzanteilen.GroßeAntriebsstra¨ngeko¨nnengeringemechanischeDa¨mpfungseigen-
schaftenimBereichihrerEigenfrequenzenaufweisen.Ein¨Ubereinstimmenvoninterhar-
monischenStromkomponentenmitmechanischenEigenfrequenzenkannzurAnregung
vonDrehmomentschwingungenunddamitzurLebensdauerverku¨rzungdesmechanischen
Systemsfu¨hren.
SchwerpunktderArbeitistdieUntersuchungeinerMethodezuraktivenDa¨mpfungvon
periodischangeregtenDrehmomentschwingungeninEnergiesystemen.Dieentwickelte
MethodeerlaubteineelektronischeinstellbareErho¨hungderDa¨mpfungeineselektrisch
gekoppeltenSystems,ohnedass¨AnderungenammechanischenDesignnotwendigsind.
DieentwickelteMethodewurdenumerischuntersuchtundangroßenAntriebssystemen
erfolgreichvalidiert.

iiv

Abstract

Variablespeed-drivenelectricmotortrainsenablemoreenergyecientmodesofoper-
ation.Thevariablespeedoperationistypicallyachievedbymeansofpowerelectronic
converters,whichcreateharmonicsandinterharmonics.Mechanicaldrivetrainsforhigh
powerapplicationhavetypicallylowinherentdampingattheirnaturalfrequencies.Tor-
sionalinteraction,acoincidenceofelectricallygeneratedharmonicswith(oneormore)
naturalfrequenciesofageneratorormotortrain,cancausetorsionaloscillationissues,
whichmayhaveanegativeimpactonthelifetimeofadrivetrain.
Mainfocusofthisthesisistheinvestigationofnewcountermeasuresagainsttorsional
interactions.Thedevelopedapproachiscapableofincreasingtheoveralldampingbehav-
iorofmechanicaldrivetrainsattheirsensitivenaturalfrequencies,withoutmodication
ofthemechanicaltrainorpowersystem.Thus,theapplieddampingbecomeselectroni-
callyadjustable.Theapproachhasbeennumericallyinvestigatedbydetailedsimulation
modelsandvalidatedintestsetupswithlargeelectricmotordriventrains.

iiiv

Contents

1Introduction1
1.1ThesisObjective................................4
1.2ThesisStructure.................................5

2ModelingandComponentAspects7
2.1MechanicalModel................................7
2.1.1SingleMassSystem...........................7
2.1.2ForcedOscillation............................9
2.1.3Q-FactorDetermination........................12
2.1.4Multi-MassSystem...........................15
2.1.5ModalAnalysis.............................18
2.1.6ModelReduction............................20
2.2ElectricalMachine...............................21
2.2.1InductionMachine...........................21
2.2.2SynchronousMachine..........................23
2.2.3TorqueModulation...........................24
2.3PowerElectronicDevices............................26
2.3.1Line-CommutatedInverter(LCI)...................28
2.3.2Self-CommutatedInverter.......................35
2.4Summary-ModelingandComponentAspects................37

3TorsionalInteractionAnalysis39
3.1SourcesofExcitationforTorsionalOscillations................39
3.1.1GridEvents...............................40
3.1.2TorsionalInteractionwithLargePowerSystemUnitControls...40
3.1.3HarmonicsProducedDuetoPowerConversion...........41
3.1.4SubsynchronousResonance.......................43
3.1.5ExcitationDuetoLoadVariation...................43

xi

x

Contents

3.1.6TorsionalInteractionBetweenClosedCoupledUnits........44
3.2ImpactofTorsionalInteraction........................46
3.2.1LifetimeReduction...........................46
3.2.2LossofProduction...........................47
3.2.3Vibration-Noise............................47
3.3Summary-TorsionalInteractionAnalysis..................48

4DampingofTorsionalInteractionEectsinPowerSystems49
4.1StateoftheArt-CountermeasuresagainstTI................49
4.1.1PassiveCountermeasures........................50
4.1.2ActiveCountermeasures........................51
4.2NewDampingApproach............................54
4.2.1ActiveDampingTopology.......................56
4.2.2ImplementationoftheActiveDampingMethod...........59
4.2.3TuningoftheActiveDampingMethod................60
4.2.4SensitivityandGainMarginAnalysis.................62
4.3Summary-DampingofTorsionalInteractionEectsinPowerSystems..64

5FieldsofApplicationfortheActiveDampingApproach65
5.1MonitoringofTorsionalOscillations......................67
5.2SeparateActiveDampingDevice.......................68
5.3IntegratedActiveDampingDevice......................71
5.3.1Self-CommutatedConverterImplementation.............72
5.3.2Line-CommutatedConverterImplementation.............74
5.4IndependentProtection............................86
5.5ApplicationExamples.............................87
5.5.1DampingResultsforVariableSpeedDrives..............88
5.5.2ActiveDampinginIslandPowerSystems...............94
5.5.3DampingofMultipleModes......................98
5.5.4WindTurbineEmergencyStop....................101
5.6EconomicAspectsofTorsionalModeDamping................105
5.7Summary-FieldofApplication........................107

6Summary

Bibliography

901

711

Introduction

1

Electricmotorsystemsarebyfarthemostimportanttypeofloadinindustry,e.g.in
theEUtheyaccountforabout70%oftheconsumedelectricity[1].Itistheirwideuse
thatmakesmotorsparticularlyattractivefortheapplicationofeciencyimprovements,
especiallythoseusingpowerelectronicdevicestoallowvariablespeedoperation.Variable
speedoperationenablesthelargestenergysavingsinprocessindustryapplications,e.g.
compressorapplicationswithvariableowrequirements,uid-handlingapplicationsorin
fanapplicationswithvariablecoolingrequirements.Drivenbythehighcostofelectricity
andthepowerhandlingcapabilityofmodernpowerelectronicdevices,mechanicaldrives
anddirectgridconnectedmotorsareincreasinglybeingreplacedbyvariablespeeddrives
(VSDs).Thistrendstartedmanyyearsagoandithasnowreachedmulti-megawattdrives.
Inthesedriveapplications,VSDswereoriginallyonlyappliedasstarterorhelpermotors
forotherprimemovers,suchasgasturbines.Highereciency,operationalexibility,
speedcontrollability,lowerannualmaintenancecosts,zerositeairemissionsorreduced
noiselevelsarebenetsofreplacingamechanicalprimemoverbypowerelectronics-driven
electricalmachinery.Butallpowerelectronicdesignsproduceharmonicswithmultiples
ofthefundamentalfrequency,multiplesoftheswitchingfrequency,acombinationofboth
frequenciesandinterharmonics.Alltheseharmonicscanproducepulsatingtorquecom-
ponentsandpossiblyinteractwithrotor-shaftsystems.
Torsionalinteractionduetoharmonicexcitationisafrequenttopicintoday’slitera-
ture[2–5].Newdevelopmentsinpowerelectronicdesignsforlargerotatingmachinery
reducetheeectofpulsatingt