I E C TS 62 57 ® Edition 2.0 201 5-04 TE C H N I C AL S P E C I F I C ATI ON S P E C I F I C ATI ON TE C H N I QU E colour i n sid e P ower el e ctron i cs s ys te m s an d eq u i pm e n t – Ope rati on d i ti on s an d ch aracteri s ti cs of acti ve i n fe ed verter (AI C ) appl i cati on s i n cl u d i n g d es i g n re com m en d ati on s for th e i r em i s s i on val u es bel ow 50 kH z S ys tè m e s et é q u i pe m en ts é l ectron i q u es d e pu i s san ce – C on d i ti on s d e fon cti on n em en t et caractéri s ti q u es d es verti s s eu rs al i m e n tati on acti ve ( AI C ) , y com pri s l es recom m an d ati on s d e ce pti on pou r l eu rs val e u rs IEC TS 62578:201 5-04(en-fr) d ' é m i ss i on i n fé ri eu res 50 kH z T H I S P U B L I C AT I O N I S C O P YRI G H T P RO T E C T E D C o p yri g h t © I E C , G e n e v a , S wi tz e rl a n d All rights reserved Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from either IEC or IEC's member National Committee in the country of the requester If you have any questions about I EC copyright or have an enquiry about obtaining additional rights to this publication, please contact the address below or your local I EC member National Committee for further information Droits de reproduction réservés Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit de l'IEC ou du Comité national de l'IEC du pays du demandeur Si vous avez des questions sur le copyright de l'IEC ou si vous désirez obtenir des droits supplémentaires sur cette publication, utilisez les coordonnées ci-après ou contactez le Comité national de l'IEC de votre pays de résidence IEC Central Office 3, rue de Varembé CH-1 21 Geneva 20 Switzerland Tel.: +41 22 91 02 1 Fax: +41 22 91 03 00 info@iec.ch www.iec.ch Ab ou t th e I E C The I nternational Electrotechnical Commission (I EC) is the leading global organization that prepares and publishes I nternational Standards for all electrical, electronic and related technologies Ab o u t I E C p u b l i ca ti o n s The technical content of IEC publications is kept under constant review by the IEC Please make sure that you have the latest edition, a corrigenda or an amendment might have been published I E C Catal og u e - 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www i ec ch /search pu b La recherche avancée permet de trouver des publications IEC en utilisant différents critères (numéro de référence, texte, comité d’études,…) Elle donne aussi des informations sur les projets et les publications remplacées ou retirées E l ectroped i a - www el ectroped i a org Le premier dictionnaire en ligne de termes électroniques et électriques Il contient plus de 30 000 termes et définitions en anglais et en franỗais, ainsi que les termes ộquivalents dans langues additionnelles Egalement appelé Vocabulaire Electrotechnique International (IEV) en ligne G l oss re I E C - s td i ec ch /g l ossary Plus de 60 000 entrộes terminologiques ộlectrotechniques, en anglais et en franỗais, extraites des articles Termes et Définitions des publications IEC parues depuis 2002 Plus certaines entrées antérieures extraites des publications des CE 37, 77, 86 et CISPR de l'IEC I E C J u st Pu bl i s h ed - webstore i ec ch /j u stpu bl i s h ed Restez informé sur les nouvelles publications IEC Just Published détaille les nouvelles publications parues Disponible en ligne et aussi une fois par mois par email S ervi ce Cl i en ts - 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M ake s u re th at you obtai n ed th i s pu bl i ca ti on from an au th ori zed d i s tri bu tor Atten ti on ! Veu i l l ez vou s ass u rer q u e vou s avez obten u cette pu bl i cati on vi a u n d i stri b u teu r ag ré é ® Registered trademark of the International Electrotechnical Commission –2– I EC TS 62578: 201 I EC 201 CONTENTS FOREWORD I NTRODUCTI ON 1 Scope 2 Norm ative references Terms and definitions General system characteristics of PWM active infeed converters connected to the power suppl y network General Basic topologies and operating princi ples General 2 Operating principles Equivalent circuit of an AI C 20 4 Filters 21 Pulse patterns 21 Control methods 22 Control of current components 22 Active power factor correction 22 AI C rating 23 General 23 Converter rating under sinusoidal conditi ons 23 3 Converter rating in case of harm onic currents 23 4 Converter rating under dynam ic conditions 24 Electromagnetic compatibility (EMC) considerations for the use of AI Cs 24 General 24 Low-frequency phenomena ( < 50 kH z) 25 General 25 2 Emerging converter topologies and their advantages for the power suppl y network 25 Active equalizing of the power suppl y network 27 Measured power suppl y network impedances in the range between kH z to 20 kH z 32 5 Proposal of an appropriate line im pedance stabilisation network (LI SN) from kH z to kH z 37 Effects on industrial equipm ent in the frequency band kH z to kH z 41 High-frequency phenom ena ( > 50 kH z) 44 General 44 Mitigation of distortion 44 3 I mm unity 44 EMI filters 44 Audible noise effects 45 5 Leakage currents 45 Aspects of system integration and dedicated tests 45 Characteristics of a PWM active infeed converter of voltage source type and two level topolog y 46 General 46 General function, basic circuit topologies 46 I EC TS 62578: 201 I EC 201 –3– Power control 49 6 Dynamic perform ance 50 Desired non-sinusoidal line currents 50 6 Undesired non-sinusoidal line currents 50 Availability and system aspects 51 Operation in active filter m ode 52 Characteristics of a PWM active infeed converter of voltage source type and three level topolog y 52 General function, basic circuit topologies 52 Power control 53 Dynamic perform ance 53 Undesired non-sinusoidal line currents 54 Availability and system aspects 54 Characteristics of a PWM Active I nfeed Converter of Voltage Source Type and Multi Level Topolog y 55 General function, basic circuit topologies 55 Power control 56 Dynamic perform ance 57 Power suppl y network distortion 57 Availability and system aspects 57 Characteristics of a F3E AI C of the Voltage Source Type 58 General function, basic circuit topologies 58 Power control and line side filter 59 Dynamic perform ance 61 Harm onic current 61 Characteristics of an AI C of Voltage Source Type in Pulse Chopper Topology 62 1 General 62 General function, basic circuit topologies 62 Desired non-sinusoidal line current 63 Undesired non-sinusoidal line current 63 Reliability 63 Perform ance 64 Availability and system aspects 64 1 Characteristics of a two level PWM AI C of current source type (CSC) 64 1 General 64 1 General function, basic converter connections 64 1 Power control 66 1 Dynamic perform ance 67 1 Line current distortion 68 1 Operation in active filter m ode 68 1 Availability and system aspects 68 Annex A (informative) 69 A Control m ethods for AI Cs in VSC (Voltage Source Converter) topolog y 69 A 1 General 69 A Considerations of control m ethods 69 A Short-circuit ride through functionality for decentralized power infeed with AI C 70 A Fault ride through m ode 70 –4– I EC TS 62578: 201 I EC 201 Examples of practical realized AI C applications 72 A A 2.1 AI C of current source type (CSC) 72 A 2.2 Active infeed converter with comm utation on the d c side (reactive power converter) 74 A Details concerning two level and m ulti-level AI Cs in VSC Topology 76 A 3.1 Properties of active infeed converters (PWM) with different num ber of levels 76 A 3.2 Exam ples of typical waveform s of AI Cs 77 A 3.3 Construction and realization 78 A Basic transfer rules between voltage and current distortion of an AI C 78 A Examples of the influence of AI Cs to the voltage quality 79 A Withstand capability of power capacitors towards distortion in the range of kH z to kH z 80 A 6.1 General 80 A 6.2 Catalogue inform ation about perm issible harmonic load 82 A 6.3 Frequency boundaries for perm issible distortion levels 82 A 6.4 Frequency spectrum of active infeed converters 83 A 6.5 Conclusion 84 A I m pact of additional AI C filter m easures in the range of kH z to kH z 85 A 7.1 General 85 A 7.2 Exam ple of a PDS constellation (AI C and CSI ) 86 A 7.3 Conclusion 88 A Example of the power suppl y network impedance m easurem ent 89 A 8.1 General 89 A 8.2 Basic principle of m easurement 89 A 8.3 Harmonic com ponent inj ection m ethods for measurem ent 90 A 8.4 Harmonic current generation by disturbing device 90 A 8.5 References based on current injection by disturbance (Method A) 90 A 8.6 References based on sinusoidal single frequency injection (Method B) 92 Annex B (informative) 94 B Basic considerations for design recom mendations of AI Cs in the range of kH z to kH z 94 B 1 Overview 94 B General 94 B Withstand capability of power capacitors connected to the power suppl y network and recommendation for the compatibility in the frequency range kH z to kH z 95 B Basic conditions for setting the capacitor withstand capability curve 95 B Matching of AI C converters (2-Level PWM) to different power suppl y network conditions without overloading the power capacitor burden 97 B Considerations in regard to m edium voltage power suppl y networks 99 B AI C filtering considerations 00 B AI C appropriate technical and economical amount 00 B Frequency range from kH z to kH z 01 B Design recomm endations for conducted emission of low voltage AI Cs in the reasonable context of higher frequencies between kH z and 50 kH z 02 B 2.1 General 02 B 2.2 Data collection results 03 B 2.3 Conclusions 05 Bibliograph y 07 I EC TS 62578: 201 I EC 201 –5– Figure – AI C in VSC topology, basic structure Figure – AI C in CSC topology, basic structure Figure – Equivalent circuit for the interaction of the power suppl y network with an AI C 20 Figure – Voltage and current vectors of line and converter at fundamental frequency for different load conditions 23 Figure – The basic issues of EMC as tools of econom ics 24 Figure – Typical power suppl y network current i L (t) and voltage u LN (t) of a phase controlled converter with d.c output and inductive smoothing 26 Figure – Typical power suppl y network current i L (t) and voltage u LN (t) of an uncontrolled converter wi th d.c output and capacitive smoothing 26 Figure – Typical power suppl y network current i L (t) and voltage u LN (t) of an AI C realized by a PWM Converter with capacitive smoothing without additional filters 26 Figure – Exam ple of attainable active and reactive power of the AI C (VSC-type) at different line to line voltages in per unit (with % combined transform er and filter inductor short-circuit voltage, X/R ratio = 0/1 , d c voltage = 6, kV) 27 Figure – Principle of com pensating given harmonics in the power suppl y system by using an AI C and suitable control sim ultaneousl y 28 Figure 1 – Typical Voltage Distortion in the Line-to-Line and Line-to-N eutral Voltage generated by an AI C without additional filters (u in % and t in degrees) 29 Figure – Basic characteristic of the relative voltage distortion (59th harmonic) of one AI C operated at a pulse frequency of kH z versus R SCe with the line impedance according to 5.2 30 Figure – Basic characteristic of the relative current em ission (59th harmonic) of one AI C at a pulse frequency of kH z versus R SCe with the line impedance according to 31 Figure – Single phase electric circuit of the three commonl y used differential m ode passive line filter topologies for VSC and one example for passive dam ping 31 Figure – Example of the attenuation of the VSC line to line voltage to the line to line voltage at the I PC with state of the art differential m ode passive line filter topologies 32 Figure – Connection of the power suppl y network impedance measurement equipm ent 33 Figure – Example of the measured im pedance of a low-voltage transformer under no load condition S = 630 kVA, u k = 6, 08 % 34 Figure – Measured variation of the power supply network impedance over the course of a day at one location 34 Figure – Power supply network impedance with partl y negative imaginary part 35 Figure 20 – Distribution of power system im pedance (measured between phase and neutral conductor) in low-voltage systems versus frequency 35 Figure 21 – Statistical distribution of positive-sequence impedance versus frequency in low-voltage power suppl y networks 37 Figure 22 – Equivalent circuit describing the power suppl y network impedance 38 Figure 23 – Circuit topolog y for power system simulation 38 Figure 24 – Approxim ated and measured 50 % im pedance curve 39 Figure 25 – Single phase circuit topolog y according to I EC 61 000-4-7 + used for line im pedance stabilisation network 40 Figure 26 – Three-phase circuit topolog y for the line im pedance stabilisation network 41 Figure 27 – I m pedance variation in the 90 % curve of the LI SN described in Figure 26 41 Figure 28 – PDS with large d.c capacitance 43 –6– I EC TS 62578: 201 I EC 201 Figure 29 – PDS with large capacitance and line inductor 43 Figure 30 – PDS with a large d.c capacitance and inductors in the d c link 43 Figure 31 – Basic EMI filter topolog y 45 Figure 32 – Block diagram of a PDS with high frequency EMI filter system 45 Figure 33 – Basic illustration of a topology of a two level PWM voltage source AI C 47 Figure 34 – Typical waveforms of voltages u S1 N / ULN, and voltage u S1 / ULN , at pulse frequency of kH z 48 Figure 35 – Typical waveforms of the com mon m ode voltage u CM / ULN, at pulse frequency of kH z Power suppl y frequency is 50H z 48 Figure 36 – Waveform of the current i L1 / Iequ at pulse frequency of kH z, relative im pedance of u SCV, equ = % 49 Figure 37 – Block diagram of a two level PWM AI C 49 Figure 38 – Distortion of the current i L1 of reactance Xequ , pulse frequency: kH z, relative reactance of u SCV, equ = % 51 Figure 39 – Typical voltages u L1 N / ULN, and u L1 / ULN , at pulse frequency of kH z, relative reactance u SCV, equ = %, R SCe = 00 51 Figure 40 – Basic topolog y of a three level AI C For a Power Drive System (PDS) the sam e topology may be used also on the load side 52 Figure 41 – Typical curve shape of the phase-to-phase voltage of a three level PWM converter 53 Figure 42 – Example of a sudden load change of a MW three level converter where the current control achieves a response time within ms 54 Figure 43 – Typical topolog y of a fl ying capacitor (FC) four level AI C using I GBTs 55 Figure 44 – Typical curve shape of the phase-to-phase voltage of a multi-(four)level AI C 56 Figure 45 – Distorting frequencies and am plitudes in the line voltage (m easured directl y at the bridge terminals in Figure 25 and the line current of a multilevel (four) AI C (transformer with % short-circuit voltage) 57 Figure 46 – Topolog y of a F3E AI C 58 Figure 47 – Line side filter and equivalent circuit for the F3E-converter behaviour for the power suppl y network 59 Figure 48 – Current transfer function together with R SCe = 00 and R SCe = 750 and a line side filter: G(f) = i L1 / i conv 59 Figure 49 – PWM – voltage distortion over power suppl y network impedance for F3Einfeed including power suppl y network side filter 60 Figure 50 – I nput current spectrum of a 75kW-F3E-converter 61 Figure 51 – H arm onic spectrum of the input current of an F3E-converter with R SCe = 00 61 Figure 52 – An illustration of a distortion effect caused by a single phase converter with capacitive load 62 Figure 53 – a c to a.c AI C pulse chopper, basic circuit 63 Figure 54 – I llustration of a converter topology for a current source AI C 65 Figure 55 – Typical waveforms of currents and voltages of a current source AI C with high switching frequency 66 Figure 56 – Typical block diagram of a current source PWM AI C 67 Figure 57 – Current source AI C used as an active filter to compensate the harm onic currents generated by a nonlinear load 67 Figure 58 – Step response (reference value and actual value) of current source AI C with low switching frequency [33] 68 I EC TS 62578: 201 I EC 201 –7– Figure A – Principle sketch for com bined voltage- and current-inj ecting m odulation example for phase leg R 71 Figure A – Example for controlled phase current during a voltage dip at the power suppl y network using h ysteresis plus PWM control 72 Figure A – Typical waveform s of electrical power suppl y network current and voltage for a current source AI C with low switching frequency [33] 72 Figure A – Currents and voltages in a (sem iconductor) valve device of an AI C and a machine side converter both of the current source with low pulse frequency [33] 73 Figure A – Total harmonic distortion of electrical power suppl y network and m otor current [33] rem ains always below % (triangles in straight line) in this application 73 Figure A – Basic topology of an AI C with commutation on the d.c side (six pulse variant) 74 Figure A – Dynamic performance of a reactive power converter 75 Figure A – Line side current for a twelve pulse Reactive Power Converter in a capacitive and inductive operation mode ( u SCV, equ = %) 75 Figure A – The origin of the current waveform of a RPC by the line voltage (sinusoidal) and the converter voltage (rectangular) 76 Figure A – Two level topolog y with nominal voltage of m axim um 200 V and tim escale of m s/div 77 Figure A 1 – Three level topolog y with nominal voltage of m axim um 400 V and tim escale of ms/div 77 Figure A – Four level topolog y with nom inal voltage of maximum 300 V and tim escale of ms/div 78 Figure A – General influence of significant characteristics to the voltage distortion and current distortion 79 Figure A – Measured reduction of voltage distortion when four AI Cs are connected to the power suppl y network 80 Figure A – Excerpts from a catalogue information of a power capacitor manufacturer; 760 V AC; (rated voltage: 690 V AC) for temperature calculation 81 Figure A – Reactive power and losses of a power capacitor supplied by a source with constant reference voltage and variable frequency ( R cp = f(h)) 82 Figure A – Apparent power and losses of a typi cal power capacitor at different voltage distortion levels and the critical frequency boundaries (at singular frequency) where the tem perature rise reaches substantial values (vertical arrows) 83 Figure A – Voltage spectrum of an AI C and the impact of a line im pedance reduction to the tem perature of the capacitor (from K to 0,44 K) and the composition of the spectrum 84 Figure A – A wind turbine plant and a mine wi nder drive connected on the sam e power line 86 Figure A 20 – Power suppl y network configuration for the plant of Figure A with allocated m easurement points 86 Figure A 21 – Regular current of the CSI (AI C-filter disabled) and amplification of the current in case of resonance caused by the AI C-filter circuit (when AI C filter is enabled) 87 Figure A 22 – Basic principle of impedance m easurem ent 89 Figure A 23 – Harmonic current generation by disturbing device 90 Figure A 24 – Measurement by switching a resistor 91 Figure A 25 – Measurement by a capacitor bank 91 Figure A 26 – A 6, kV power suppl y network impedance measurem ent system for islanding detection by inj ecting interharm onics 92 –8– I EC TS 62578: 201 I EC 201 Figure B – Withstand capability level towards harmonic voltages in the power suppl y network in view of permissible tem perature rise within capacitors if the voltage distortion is determined either by one predominating frequency (upper line) or if the distortion is predominantly determ ined by a harm onic spectrum , caused by several parallel operated AI Cs (2-Level PWM) (lower line) 96 Figure B – H arm onic voltage spectrum of one 2-Level PWM AI C with acceptable temperature increase of a power capacitor not exceeding K 97 Figure B – Maximum voltage distortion of a spectrum , caused by several AI Cs (single phase topologies) 98 Figure B – Maximum voltage distortion of a spectrum , caused by several AI Cs (three phases topologies) 98 Figure B – Spreadsheet of m atching single phase AI Cs (2-level) to different power suppl y network conditions in order to appl y the power capacitor lim it curves 99 Figure B – Spreadsheet of matching three phases AI Cs (2-level) to different power suppl y network conditions in order to appl y the power capacitor lim it curves 99 Figure B – I llustration of the typical power suppl y network resonance frequency by increasing AI C filtering population, versus the voltage distortion level 00 Figure B – Sketch of the typical size/cost of an AI C application versus switching frequency of the AI C 01 Figure B – I llustration of the probability of overload and stress problems for the power suppl y network and the equipm ent connected thereto, depending on stipulated distortion levels fixed in miscellaneous assumptions 01 Figure B – Results of the data collection versus the m axim um values proposed in the I EC TS 62578 for products rated above 75 kVA 03 Figure B 1 – Results of the data collection versus the m axim um values proposed in the I EC TS 62578 for products rated below 75 kVA 04 Figure B – Results of the data collection versus the m axim um values proposed in the I EC TS 62578 for products rated above 75 kVA 04 Figure B – Recom mended maximum em ission values for AI C of differen t categories in the range from kH z up to 50 kH z 05 Table – Parameters of line impedance stabilisation network for different power system im pedance curves 39 Table – Parameters of the LI SN described in Figure 25 and Figure 26 40 Table A – Condition state : positive current limit reached, transistor T1 is switch-off to reduce the current 71 Table A – Condition state 2: negative current limit reached, transistor T2 is switch-off to reduce the current 71 Table A – Condition state 0: current in phase R within tolerance range, pure voltage injection active (e.g with PWM) 71 Table A – Comparison of different PWM AI Cs of VSC topolog y 76 Table A – Voltage distortion on both power lines (I I and I I I ) without and with filter circuit (the filter had been designed to achieve 0, % distortion level on the MV-power line) 87 Table A – Current distribution within the network described for specific frequencies and on allocated measurem ent points as pointed out in Figure A 20 88 Table B – AI C design recomm endation for a maximum distortion factor in the frequency range from to kH z 02 Table B – Recomm ended m axim um emission values for AI C of different categories in the range from kH z up to 50 kH z 06 – 228 – I EC 201 Maximum voltage distortion of a spectrum, caused by several AIC (three phase); uscv=3,6,1 0,1 % 10 Voltage distortion level U LL,h / U LL,1 in % I EC TS 62578: 201 Rsce=50; u scv,eq u =3% Rsce=100; u scv,eq u=3% Rsce=50; u scv,eq u =6% Rsce=50; u scv,eq u =10% Lim it cu rve (F=2,4) 0,1 10 P u l s e F req u en cy i n kH z IEC NOTE u scv, equ = %, %, %, % avec intersection avec l es cou rbes de l im itation de tem pératu re de condensateu r d e pu issance à, par exem ple, R SCe = 50; u scv, equ = % An g l a i s F n ỗ a i s Voltage Distorti on Level Niveau de d istorsion de tension Maxim um voltage distorti on of a spectrum , caused by several AI C (three phase) with Distorsion de tension m axim al e d’u n spectre, gén érée par plusieurs AI C (triphasés) avec Pulse Frequency i n kHz Fréq uence d’im pulsion en kH z Lim it curve Cou rbe lim ite F i g u re B – D i s t o rs i o n d e ten s i on m axi m al e d ' u n s p e c t re , g é n é ré e p a r p l u s i e u rs AI C ( t o p o l o g i e s t ri p h a s é e s ) Mêm e si la répartition de tension entre l'inductance de l'AI C et l'impédance de ligne présente des régularités assez différentes qui ont été prises en com pte dans les résultats de la feuille de calcul, R SCe est de plus, dans ce contexte, l e rapport de puissance de la fondamentale, tel qu'il est généralement défini Dans le Figure B.5 et Figure B 6, trois cas sont pris en com pte • Le cas A indique qu'il peut exister une discordance pour toutes les fréquences de • • comm utation des AI C, ce qui peut provoquer une augmentation de la tem pérature des condensateurs de puissance et, par conséquent, soit les valeurs de R SCe ou u scv , equ augmentent soit des filtres supplémentaires sont exigés Le cas B indique que, pour des fréquences de com mutation inférieures aux valeurs affichées, les AI C satisferont aux exigences des condensateurs de puissance avec les param ètres indiqués R SCe et u scv , equ , et aucun filtrage supplém entaire n'est exigé Le cas C indique que, dans cette application, les AI C peuvent fonctionner sans filtrage supplémentaire, alors qu'aucune augmentation de température des condensateurs de puissance ne se produit I EC TS 62578: 201 I EC 201 – 229 – IEC F i g u re B – F e u i l l e d e c a l c u l d e m i se en c o rre s p o n d a n c e d e s ( n i v e a u x ) d i ffé re n t e s c o n d i t i o n s d e ré s e a u d 'a l i m en tati on AI C m o n o p h a s é s é l e c t ri q u e a fi n d ' a p p l i q u e r l e s c o u rb e s l i m i t e s d e c o n d e n s a t e u r d e p u i s s a n c e IEC F i g u re B – F e u i l l e d e c a l c u l d e m i se en c o rre s p o n d a n c e d e s d i ffé re n t e s c o n d i t i o n s d e ré s e a u d ' a l i m e n t a t i o n AI C t ri p h a s é s ( n i v e a u x ) é l e c t ri q u e a fi n d ' a p p l i q u e r l e s c o u rb e s l i m i tes d e d e n s ateu r d e p u i s s an ce B C o n s i d é t i o n s re l a t i v e s a u x ré s e a u x d ' a l i m e n t a t i o n é l e c t ri q u e m o y e n n e te n s i o n Pour les réseaux d'alimentation électrique moyenne tension, il convient de tenir compte des déclarations suivantes, pour autant que les harm oniques sont concernés – En règle générale, moins d'amortissement dans le réseau d'alimentation électrique en raison d'un effet pelliculaire limité du câblage et l'intérieur des transform ateurs, et moins de consommateurs ohm iques connectés cette ligne – Moins de rayonnements harm oniques en raison de l'utilisation générale d'au moins trois convertisseurs de niveau (voir le Tableau A.4) – Le facteur de dissipation et les caractéristiques de perte des condensateurs de puissance sont censés être sim ilaires ceux des condensateurs de puissance basse tension – Com pte tenu de ces facteurs, une approche plus prudente est exigée pour les applications m oyenne tension que pour les applications basse tension Cela peut donner lieu un filtrage plus important – 230 – B C o n s i d é t i o n s re l a t i v e s a u I EC TS 62578: 201 I EC 201 fi l t g e AI C L'intégration d'importantes m esures de filtrage AI C supplémentaires (conformém ent aux zones A de la Figure B et de la Figure B 6), avec pour objectif de diminuer les niveaux de distorsion AI C, engendrerait de graves problèmes dans le réseau d'alim entation électrique aux plages de fréquences inférieures la fréquence du filtre, si l'ensem ble de la topologie du systèm e peut prendre en charge cette tendance Voir égalem ent la Figure B Resonance frequency f kHz _ kHz _ kHz _ | | 0,2% 5% D IEC An g l a i s F n ỗ a i s Reson ance freq uency F i g u re B – I l l u s t t i o n d 'al i m en tati on Fréq uence de résonance d e l a fré q u e n c e d e ré s o n a n c e t y p i q u e d u é l e c t ri q u e p a r a u g m e n t a t i o n e n fo n c t i o n d u n i v e a u d e l a p opu l ati on d e d i s t o rs i o n ré s e a u d e fi l t g e AI C , d e ten si on La fréquence de résonance du réseau d'alimentation électrique créée par l'augm entation du filtrage génère des courants de basse fréquence circulant l'intérieur du filtre passif Ces courants sont également susceptibles d'être piégés par les batteries de condensateurs de com pensation au niveau du réseau basse tension, mais égalem ent moyenne tension Les domm ages dont peut faire l'objet cet équipem ent peuvent être prévus quotidiennem ent (voir A 7) I l s'agit d'une considération tant économ ique que technique que de penser que, dans certaines conditions, une lim itation trop stricte des niveaux d'émission admissibles dans le réseau d'alimentation électrique peut avoir des effets négatifs sur le système d'alimentation lui-même (détérioration de la fréquence de résonance) et sur l ’équipem ent qui y est raccordé Si de tels cas se produisent, certains "dangers de résonance" peuvent donner lieu un fonctionnement plus dangereux de l'équipement (voir l'exemple en A 7) Le m essage fondam ental de cet exemple illustré est que les limitations trop strictes des niveaux d'ém ission admissibles dans la plage de fréquences comprises entre kH z et kH z (exigeant des m esures de filtrage AI C étendues) peuvent être reconsidérées afin de ne pas décaler les résonances naturelles du réseau d'alim entation électrique vers des fréquences plus basses, mais de permettre des mesures de filtrage AI C m oins im portantes qui fonctionneront correctem ent et ne génèreront pas d'interférences avec les autres équipements I l est également nécessaire de prendre en compte les perform ances d ynam iques réduites d'un PDS équipé d'un AI C lors de l'augm entation des composantes de filtrage inductives B.1 C o n s i d é t i o n s t e c h n i q u e s e t é c o n o m i q u e s a p p ro p ri é e s re l a t i v e s l ' AI C La structure d'un réseau intelligent génération d'énergie décentralisée et stockage d'énergie est de plus en plus com plexe Des règlements de cohabitation sont donc nécessaires dans la bande de fréquences com prises entre kH z et kH z I EC TS 62578: 201 I EC 201 – 231 – La nécessité inévitable de progresser dans l'utilisation de l'énergie renouvelable aboutira l'exploitation de stations de source d'énergie répartie Ces sources d'énergie, ainsi que d'autres AI C jouant des rôles différents (AI F, compensation d e facteur de puissance et stockage d'énergie) constitueront ledit réseau intelligent Ces applications augm enteront tant que cette dem ande élevée sera soutenue et prise en charge par de futurs concepts de génération d'énergie La com plexité, le volume et le coût d'un convertisseur augm entent alors que le volume et le coût d'un filtre passif diminuent, m esure qu'augmente la fréquence de comm utation de l'AI C (voir la Figure B 8) Amount System AIC Filter AIC Switching Frequency IEC An g l a i s F n ỗ a i s Am ount Quantitộ System Systèm e Filter Filtre AI C Switch ing Frequency Fréquence de com m utation de l’AI C F i g u re B – S c h é m a d e l a t a i l l e /d u co û t h ab i tu e l s d ' u n e ap p l i c a ti o n p a r p p o rt l a fré q u e n c e d e c o m m u t a t i o n AI C d e l ' AI C Les influences individuelles sont illustrées en principe la Figure B et sont examiner soigneusement Ces illustrations typiques et le point d'intersection % s'appuient sur de longues expériences avec les AI C et correspondent la capacité de tenue du condensateur dans la plage de fréquences comprises entre kHz et kH z (voir la Figure B ) – 232 – I EC TS 62578: 201 I EC 201 P ropabi l i ty for th e occu ren ce of overl oad an d stress probl em s i n th e en ti re freq u en cy ran g e S teepl y i n creas ed probl em s cau s ed by fi l ter C om parati vel y m od erate i n crease m easu res i n th e h i g h freq u en cy ran g e an d of probl em s wi th g rowi n g th erefore reson an ces i n th e l ow freq u en cy perm i s si bl e d i storti on ran g e H u g e fi l ter m eas u es req u i red Fi l ter m eas u es i n an wh i ch red u ce th e reson an ce appropri ate exten t freq u en cy of th e power s u ppl y req u i red i n a l arg e exten t I n creasi n g fi l ter m easu res for th e h i g h er feq u en cy ran g e n ecessary % 10 U LL,h / U LL,1 Req u i red h arm on i c vol tag e d i storti on l evel on th e m n s i n th e ran g e of - kH z IEC An g l a i s Probability for the occu rrence of overl oad an d stress problem s in the enti re frequ ency range Probabilité d’ occurrence de problèm es de surcharge et de contrainte dan s l’ensem ble de l a plag e de fréquences Steepl y increased probl em s caused by filter measures in the hig h frequency rang e an d therefore resonances in th e low frequency ran ge Forte augm entati on d es probl èm es provoquée par l es m esures de filtrag e dan s la plag e de fréq uences élevées et donc résonances d ans la plag e de fréquences basses Com paratively m oderate increase of problem s with g rowin g perm issible distortion Augm entation rel ativem ent m odérée d es problèm es avec augm entati on de la distorsion adm issible Hug e filter m easures requ ired which red uce the reson ance freq uency of th e power su ppl y in a large extent I m portantes m esures de filtrag e qui réd uisent la fréq uence de résonance du réseau d’alim entati on dans u ne larg e m esure Filter m easures in an appropri ate extent req uired Mesu res d e filtrage exi gées dans une m esure appropri ée I ncreasi ng filter m easures for the hi gher frequency rang e n ecessary Augm entation nécessai re d es m esures de filtrage pou r la plag e d e fréquences su périeu re Req uired h arm onic voltage d istortion level on th e main in the rang e of – kHz Niveau de d istorsion de tension harm oniqu e exi gé su r le réseau d’al im entation d ans la plag e com prise entre kH z et kH z F i g u re B – I l l u s t t i o n du ré s e a u d ' a l i m e n tati o n d e l a p ro b a b i l i t é d e p ro b l è m e s d e s u rc h a rg e e t d e c o n t i n t e é l e c t ri q u e e t d e l ’ é q u i p e m e n t q u i d e s n i v e a u x d e d i s t o rs i o n B F n ỗ a i s y e s t c c o rd é , e n fo n c t i o n s t i p u l é s fi x é s d a n s d i v e rs e s h y p o t h è s e s P l a g e d e fré q u e n c e s c o m p ri s e s e n t re k H z e t k H z Un spectre de tension harmonique d'un AI C a été présenté la Figure B Afin de proposer des recommandations de conception d'AI C pour les valeurs d'ém issions m axim ales indépendantes de la forme individuelle de la courbe de distorsion (voir Figure B 2), il est proposé de lim iter la somm e de tous les harm oniques dans la plage de fréquences comprises entre kH z et kH z, les tensions harmoniques individuelles étant pondérées selon leur contribution aux pertes de condensateur supplém entaires Une raie spectrale d'une certaine amplitude avec une fréquence plus élevée (3 % kH z, par exem ple) contribue dans une plus large m esure au réchauffement du condensateur que la même am plitude une fréquence plus basse (3 % kH z, par exem ple) Par conséquent, un facteur de distorsion pondéré D est proposé (voir la Formule B.1 ) qui s'apparente au "facteur de distorsion harm onique pondéré partiel" (PWHC – partial weighted harm onic current) défini dans l'I EC 61 000-3-1 I EC TS 62578: 201 I EC 201 – 233 – (B ) Les tensions ULN, h de l'équation (B.1 ) doivent être mesurées entre la phase et le point neutre du réseau d'alim entation électrique ULN, est la fondam entale de cette tension d'alim entation La méthode de m esure est conforme l'I EC 61 000-4-7: 2002, Annexe B Selon l'environnement dans lequel l'AI C d'une catégorie particulière est destiné être utilisé, il est recomm andé que la conception de l'AI C ne dépasse pas le facteur de distorsion D (voir ci-dessous) Les valeurs du facteur de distorsion D ont été déduites de la catégorie C1 d'AI C en appliquant la Formule B la Figure B.2 qui correspond égalem ent la Figure B Pour la catégorie C3 d'AI C, les valeurs du facteur de distorsion D ont été déduites d'une extrapolation des valeurs de la catégorie C3 au-dessus de 50 kH z de l'I EC 61 800-3 et de l''I EC 62040-2 Les recommandations de conception de l'AI C données au Tableau B pour la catégorie C2 sont raisonnablement comprises entre elles Tabl e au d i s t o rs i o n B.1 – Re c o m m a n d a ti o n D B d e c o n ce p ti o n d e l ' AI C p o u r u n fa c t e u r d e m a x i m a l d a n s l a p l a g e d e fré q u e n c e s c o m p ri s e s e n t re k H z e t t o k H z < C a t é g o ri e re c o m m a n d é e d e l ' AI C 6% C1 8% C2 25 % C3 inféri eu re 00 A 60 % C3 au-dessus de 00 A Re c o m m a n d a t i o n s d e c o n c e p t i o n p o u r l e s é m i s s i o n s c o n d u i t e s d ' AI C b a s s e t e n s i o n d a n s l e c o n t e xt e i s o n n a b l e d e fré q u e n c e s s u p é ri e u re s c o m p ri s e s e n t re k H z e t k H z B G é n é l i t é s Lorsqu'un produit est raccordé un réseau pour obtenir l'énergie nécessaire son fonctionnem ent, un effet secondaire peut être établi en term es de réinj ection des harm oniques dans le réseau Dès que le produit utilise la technologie de comm utation de tension, la tension de perturbation appart en dessous et au -dessus de 50 kH z La tension de perturbation avec une fréquence supérieure 50 kH z doit être conform e la norm e du produit, ces harm oniques étant donc mesurés par le fabricant Jusqu'à présent, dans la plage de fréquences com prises entre kH z et 50 kH z, aucune limite d'émissions conduites n'a été définie dans les norm es de produit CI SPR 1 ou I EC Les fabricants ne sont pas obligés de les vérifier, ces ém issions étant la plupart du temps inconnues – 234 – I EC TS 62578: 201 I EC 201 Précédemment dans le présent document, l'I EC TS 62578 propose des valeurs m aximales pour les ém issions conduites I l part logique de com parer cette proposition la réalité des produits déj présents sur le marché Pour obtenir une déclaration relative aux ém issions conduites générées par le produit déjà présent sur le marché, des données ont été rassem blées Le questionnaire a été envoyé par l'interm édiaire d'associations de fabricants (CEM EP, JEMA, N EMA et GAM BI CA) de m anière rassembler tou tes les mesures des fabricants de manière anon yme l'aide de ces organisations La demande consistait obtenir m esures en term es d'amplitude et de fréquence: l'un compris entre kH z et 50 kH z et l'autre dans la bande de fréquences com prises entre 50 kH z et 50 kH z Les m oyens et la méthode nécessaires pour ces m esures sont décrits dans le CI SPR B 2 Ré s u l t a t s d e l a c o l l e c t e d e d o n n é e s Les inform ations rassem blées pendant la période de collecte ont été réparties en groupes Le premier groupe concerne les produits présentant des caractéristiques assignées supérieures 75 kVA, le deuxièm e les produits présentant des caractéristiques assignées inférieures 75 kVA (les deux perm ettant un fonctionnem ent en environnem ent industriel) et le troisième les produits C1 et C2 pouvant être utilisés en environnement domestique avec ou sans attention particulière pendant l'installation Pour les produits C3 présentant des caractéristiques assignées supérieures 75 kVA, les retours de l'ensem ble de données ont indiqué quelques m esures dans la bande de fréquences comprises entre kH z et 50 kH z (Figure B 0) Les amplitudes mesurées sont cohérentes avec l'am plitude m aximale proposée dans l'I EC TS 62578 pour cette catégorie (ligne noire de la Figure B 0) IEC An g l a i s F n ỗ a i s Category Catộgorie Freq uency Fréquence F i g u re B – R é s u l t a t s d e l a c o l l e c t e d e d o n n é e s p a r p p o rt a u x v a l e u rs m a xi m a l e s p ro p o s é e s d a n s l ' I E C T S p o u r l e s p ro d u i t s p ré s e n t a n t d e s c a c t é ri s t i q u e s a s s i g n é e s s u p é ri e u re s k V A I EC TS 62578: 201 I EC 201 – 235 – Pour les produits C3 présentant des caractéristiques assignées inférieures 75 kVA, les retours de l'ensem ble de données ont indiqué quelques mesures, mais ici encore, on peut constater la mêm e cohérence entre les amplitudes m esurées et l'amplitude m aximale proposée dans l'I EC TS 62578 (ligne rose de la Figure B 1 ) IEC An g l a i s F n ỗ a i s Category Catégorie Freq uency Fréquence F i g u re B 1 – R é s u l t a t s d e l a c o l l e c t e d e d o n n é e s p a r p p o rt a u x v a l e u rs m a xi m a l e s p ro p o s é e s d a n s l ' I E C T S p o u r l e s p ro d u i t s p ré s e n t a n t d e s c a c t é ri s t i q u e s a s s i g n é e s i n fé ri e u re s k V A Pour les produits C1 et C2 qui peuvent être installés dans un environnement résidentiel, les retours de l'ensem ble de données ont indiqué plus de m esures Comparées l'am plitude maxim ale proposée dans l'I EC TS 62578 (ligne bleue ou jaune de la Figure B 2), certains produits ont été m esurés avec des amplitudes supérieures celle suggérée par la présente révision de l'I EC TS 62578 Aucune information particulière n'ayant été donnée avec les m esures quant au m arché et l'application pour lesquels le produit a été développé, aucune inform ation ne perm et de com prendre les raisons pour lesquelles certaines m esures ont été réalisées avec des amplitudes inférieures d'autres Ce qui est sûr, c'est que certains produits sont mesurés avec des am plitudes supérieures aux valeurs m aximales suggérées par la présente révision de l'I EC TS 62578 Au cas où les valeurs suggérées seraient inférieures, beaucoup plus de produits seraient affectés, en réalité une grande partie le serait car beaucoup de m esures sont proches de la ligne Catégorie de la Figure B – 236 – I EC TS 62578: 201 I EC 201 IEC An g l a i s F n ỗ a i s Category Catégorie Freq uency Fréquence F i g u re B – R é s u l t a t s d e l a c o l l e c t e d e d o n n é e s p a r p p o rt a u x v a l e u rs m a xi m a l e s p ro p o s é e s d a n s l ' I E C T S p o u r l e s p ro d u i t s p ré s e n t a n t d e s c a c t é ri s t i q u e s a s s i g n é e s s u p é ri e u re s k V A En conclusion générale, la proposition de l'I EC TS 62578 serait déjà rigoureuse pour les fabricants si elle était retenue pour les besoins de la normalisation B.2.3 C on cl u s i on s Dans la plage de fréquences comprises entre kH z et 50 kH z, un réseau d'im pédance est déj défini dans le CI SPR I l est donc recommandé d'utiliser le mêm e réseau d'impédance pour les m esures réalisées sur un onduleur AI C Dans la plage de fréquences comprises entre kH z et kH z, l'impédance de ligne est conform e 5 avec les valeurs de param ètre données au Tableau Pour la définition des classes C1 , C2, C3 (catégories d'AI C), voir l'I EC 61 800-3 ou l'I EC 62040-2 Les recomm andations de conception pour les valeurs de quasi-crête m aximales dans cette plage de fréquences sont présentées la Figure B et au Tableau B 2, comm e suit: Pour la catégorie C2 d'AI C, la recommandation de conception pour la valeur d'émission maximale kH z est de 28 dB µ V (voir la Figure B.1 ) En comm enỗant cette valeur, les valeurs m aximales recommandées j usqu'à 50 kH z peuvent diminuer en fonction du niveau d'immunité éventuel défini dans l'I EC 61 000-4-1 et peuvent varier avec la fréquence audessus de 50 kH z pour être com patibles avec d'autres technologies Pour la catégorie C3 d'AI C inférieure 00 A, la recomm andation de conception pour la valeur d'émission maximale 50 kH z est choisie conformém ent au CI SPR 1 Pour les fréquences inférieures 50 kH z, la marge par rapport aux valeurs de C2 est constante dB Pour la catégorie C3 d'AI C supérieure 00 A, la recomm andation de conception pour la valeur d'émission m axim ale 50 kH z est choisie conformément au CI SPR 1 A kH z, la m arge par rapport C3 inférieure 00 A est établie dB Les valeurs correspondant aux fréquences intermédiaires suivent une ligne droite dans l'échelle logarithmique I EC TS 62578: 201 I EC 201 – 237 – Pour la catégorie C1 d'AI C, la recommandation de conception pour la valeur d'ém ission maxim ale 50 kH z est choisie conform ément au CI SPR 1 Pour les autres fréquences, la marge par rapport aux valeurs de C2 est constante 7,5 dB IEC F i g u re B – V a l e u rs d ’ é m i s s i o n m a xi m a l e s re c o m m a n d é e s p o u r l e s AI C d e d i ffé re n t e s c a t é g o ri e s d a n s l a p l a g e c o m p ri s e e n t re k H z e t k H z Tabl eau B – V a l e u rs d ’ é m i s s i o n m a xi m a l e s re c o m m a n d é e s p o u r l e s AI C d e d i ffé re n t e s c a t é g o ri e s d a n s l a p l a g e c o m p ri s e e n t re kH z e t k H z C1 C2 C3 I equ kH z 50 kH z 50 kH z < 00 C3 A I eq u > 00 A Qu a s i -c rê t e Qu a s i - c rê t e Qu a s i -c rê t e Q u a s i - c rê t e dB( µV) dB( µ V) dB( µV) dB( µV) 20, 28 38 48 110 1 7, 27, 37, 82, 90 00 30 NOTE Ces val eu rs peu vent être rem placées par d'autres lim ites d'ém ission général em ent conven ues pou r ce type d'éq uipem ent, publi ées par l e SC77A ou le CI SPR – 238 – I EC TS 62578: 201 I EC 201 Bibliographie [1 ] DEPEN BROCK, M : Pulse Width Control of a 3-Phase I nverter with non-sinusoidal phase Voltages, I EEE/I AS I nternational semiconductor power converter conference, 977, 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