DE102005027894A1

DE102005027894A1 - Hybrides Leistungsfilter

Info

Publication number: DE102005027894A1
Application number: DE102005027894A
Authority: DE
Inventors: Heiko Vachek
Original assignee: ELEKTRONIK 21 GmbH
Current assignee: ELEKTRONIK 21 GmbH
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-28

Abstract

Ein hybrides Leistungsfilter mit zwei Klemmen wird seriell zwischen eine Klemme eines Stromversorgungsnetzes sowie eine Klemme einer Last oder einer Quelle geschaltet. Das Filter besteht aus der Parallelschaltung einer Drossel und einer Stromquelle, die als IGBT-Wechselrichter ausgeführt sein kann, wobei die Drossel aufgrund ihrer Dimensionierung den Nutzstrom bei der energietechnischen Frequenz trägt. Die Einkopplung der Ströme der genannten Quelle kann auch über einen Transformator erfolgen, wobei die Drossel dann durch entsprechende Auslegung des magnetischen Kreises in den Transformator integriert werden kann.

Description

Anwendungsfeld und Stand der Technik:
Die Belastung von Niederspannungs- und Mittelspannungsnetzen mit Oberschwingungen und Zwischenharmonischen nimmt durch den vermehrten Einsatz nichtlinearer und tonfrequent modulierter Betriebsmittel kontinuierlich zu.
Die Kapazität der Netze zur Aufnahme solcher höherfrequenten Ströme ist begrenzt, da durch die im wesentlichen induktive Impedanz der Netze Störspannungen bei diesen Frequenzen entstehen, die wiederum zu Beeinträchtigungen anderer Betriebsmittel führen. Insbesondere beim Einsatz großer Drehfeldmaschinen, wie es zum Beispiel bei Windkraftanlagen der Fall ist, können bei Netzen mit kleinerer Kurzschlussleistung die vorgegebenen Grenzwerte für Oberschwingungen und Zwischenharmonische aufgrund der niedrigen Impedanz dieser Anlagen nicht immer eingehalten werden.
Als weiteres Problem im Bereich der Zwischenharmonischen stellt sich die Einhaltung von Verträglichkeitspegeln von Rundsteuersignalen, die einerseits nicht gestört, andererseits durch die niedrige Impedanz derartiger Anlagen auch nicht unzulässig gedämpft werden dürfen.
Für die Erfüllung der genannten Anforderungen im Bereich Oberschwingungen und Zwischenharmonische wird üblicherweise mit aktiven, der Last parallel geschalteten Filtern gearbeitet, für die Sperrung im Bereich der Rundsteuerfrequenzen hingegen mit passiven Sperrfiltern (1), die als Parallelschwingkreis (1) seriell zwischen dem Netz (2) und der absaugenden Last (3) bzw. Quelle platziert werden werden. Ein passives Filter für die Sperrung eines breiteren Frequenzbandes ist im Frequenzbereich unterhalb einiger kHz mit vertretbarem Aufwand üblicherweise nicht zu realisieren, da es zu unerwünschten Wechselwirkungen in Form von parasitären Resonanzen zwischen den verschiedenen Filterbauelement kommen kann und eine ohmsche Bedämpfung dieser Resonanzen erhebliche Verlustleistungen in den Bedämpfungswiderständen zur Folge hätte.

Eine Lösung bietet sich in der Verwendung eines seriell geschalteten aktiven Filters, wie er beispielsweise in US Patent 5287288 (2) gezeigt wird. Hier soll eine ideal sinusförmige Spannung an den Ausgangsklemmen des Filters erreicht werden, indem die Differenz dieser idealen Spannung zu der des Versorgungsnetzes mit einer gesteuerten Spannungsquelle über einen seriell eingefügten breitbandigen Transformator (4) eingespeist wird. Zwei gravierende Nachteile machen diese industriell eingesetzte Schaltung unvorteilhaft: Die gesteuerte Spannungsquelle trägt immer den transformierten Laststrom und muss daher für den maximal vorkommenden Strom ausgelegt werden, auch wenn dieser nur in transienten oder in Fehlerzuständen fließt. Wenn die gesteuerte Spannungsquelle nicht betriebsbereit ist, muss sie wegen der sonst an der Last resultierenden Spannungsverzerrungen und wegen der möglichen Überladung des kapazitiven Zwischenkreises (5) mit Thyristoren (6) kurzgeschlossen werden. Lösungen hierfür werden in dem genannten Patent aufgezeigt. Da mit dem seriell geschalteten Filter auf eine konstante sinusförmige Spannung bei der energietechnischen Frequenz geregelt wird, ist für die Zuführung der bei Unterspannung des speisenden Netzes benötigten Energie sowie zur Kompensation der Oberschwingungs-Ströme darüber hinaus das im genannten Patent erwähnte parallele Filter notwendig. Eine vollständige Filterung wird daher mit einem hohen schaltungstechnischen Aufwand erkauft.

Beschreibung der Erfindung:
Eine Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einer gesteuerten Stromquelle (7), die als getakteter IGBT-Wechselrichter ausgeführt sein kann und an der Sekundärwicklung eines Transformators (8) angeschlossen ist, dessen Primärwicklung seriell zwischen das Netz (9) und das betreffende Betriebsmittel (10) geschaltet ist (3), das hier der Einfachheit halber – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – als Widerstand dargestellt ist.
Parallel zu der Primärwicklung wird eine Drossel (11) mit einem relativ kleinen Induktivitätswert geschaltet, sodass bei der energietechnischen Frequenz (in der Regel 50 oder 60 Hz) nur ein kleiner Spannungsfall über den Klemmen stattfindet, wenn der gesamte Nutzstrom der Applikation über die parallele Drossel fließt. Die Filterstromquelle muss diesen Nutzstrom also nicht tragen.
Durch eine entsprechende Gestaltung des magnetischen Kreises kann auch der Transformator selber mit einer kleinen Hauptinduktivität ausgestattet werden und die Drossel somit eingespart werden (4).
Für einen Einsatz in den genannten Anwendungsgebieten (Drehfeldmaschinen in Windkraft- oder anderen Eigenerzeugungsanlagen) reichen kleine Korrekturspannungen in der Größenordnung von etwa 2..3% aus, um die Einprägung von Oberschwingungen, Zwischenharmonischen und Strömen bei Rundsteuerfrequenzen zu verhindern, da es sich bei den Drehfeldmaschinen in erster Näherung um Spannungsquellen mit kleinen Nichtlinearitäten und kleinem Innenwiderstand handelt. Der Transformator wird hier also vorrangig zur Anpassung der Spannungsniveaus von Wechselrichter und serieller Netzeinspeisung benötigt.
Bei großen Leistungen findet die Filterung vorteilhaft im Mittelspannungsnetz statt. Wenn eine Spannungsanpassung nicht notwendig ist sowie eine Deckung der Wechselrichterverluste durch die Aufnahme von Wirkstrom aus der Klemmenspannung der Drossel immer möglich ist, kann in diesem Fall die Sekundärwicklung des Transformators entfallen und der Filterwechselrichter direkt an die verbleibende Drossel angeschlossen werden (5). Der Filterwechselrichter muss in diesem Fall isoliert montiert sein. Die Speisung des Gleichspannungszwischenkreises erfolgt durch die Aufnahme von Grundschwingungswirkstrom, der in Phase mit dem Spannungsfall an den Klemmen des Filters liegt, indem eine Bandpassfilterung der Klemmenspannung und eine anschließende 4-Quadranten-Multiplikation mit der Ausgangsgröße eines Pl-Reglers gemacht wird, der die Zwischenkreisspannung auf einen festen Sollwert regelt. Soll das Filter auch noch bei sehr kleinen Lastströmen funktionieren, bei denen praktisch kein Spannungsabfall mehr an den Klemmen stattfindet, muss der Zwischenkreis aus einer externen Quelle gespeist werden. Die Spannungsmessung zwischen den Außenleitern und einem künstlichen Sternpunkt im Mittelspannungsnetz ist ebenfalls aufwändig und kann eingespart werden, wenn ein Regelverfahren zur Verfügung steht, das nur mit den Klemmenspannungen des Filters auskommt. Die erfindungsgemäße Lösung sieht hier eine einfache Auswertung im Zeitbereich unter Ausnutzung der Kenntnis der Induktivität der Paralleldrossel vor.
Durch Differentiation der Klemmenspannung und Multiplikation mit einer parametrierbaren Suszeptanz kann ein Stromsollwert für den Filterwechselrichter so ausgegeben werden, dass sich dieser wie eine frei parametrierbare Kapazität verhält. Damit wird ein ähnliches Verhalten erzielt wie mit einer passiven Tonfrequenzsperre, allerdings kann durch Addition eines ohmschen Anteils in der Regelung (Multiplikation der Klemmenspannung mit einer parametrierbaren Konduktanz) eine variable Dämpfung eingestellt werden. Hierbei aufgenommene Wirkleistung wird durch die Zwischenkreisregelung als Grundschwingungswirkstrom wieder abgegeben.
Durch Elimination der Grundschwingung aus dem Messsignal der Klemmenspannung und anschließende Integration und Invertierung kann ein Stromsollwert für den Filterwechselrichter so eingestellt werden, dass sich dieser außerhalb der Grundschwingung wie eine negative Induktivität verhält. Die Ströme in der parallelen Drossel werden teilweise oder ganz durch entsprechende negative Ströme ausgeglichen; die resultierende Reaktanz der Gesamtschaltung kann also für Frequenzen, die oberhalb der Grundschwingung der energietechnischen Frequenz liegen, sehr groß gemacht werden. Damit liegt für diese Frequenzen eine breitbandige, in ihrer Dämpfung parametrierbare Sperrwirkung vor. Auch hier kann durch eine parametrierbare Konduktanz eine einstellbare Dämpfungswirkung erzielt werden.
Eine weitere Applikation der vorgestellten Schaltung ergibt sich als Regenerator für Rundsteuersignale. Hierfür werden die Spannungen zwischen den Leitern eines Netzes gemessen, die zu verstärkende Rundsteuerfrequenz mit einem Bandpass herausgefiltert, integriert und als Quellenstrom ausgegeben, so dass die Spannung über der parallelen Drossel aufgrund
in Phase zu dem zu verstärkenden Rundsteuersignal liegt.

Claims

Hybrides Leistungsfilter mit zwei Klemmen, die seriell zwischen ein elektrisches Betriebsmittel und das Stromversorgungsnetz geschaltet wird, an die besagtes Betriebsmittel angeschlossen ist, indem eine Klemme der besagten Schaltungsanordnung mit einer Klemme des besagten Versorgungsnetzes, die andere Klemme der besagten Schaltungsanordnung mit einer Klemme des besagten Betriebsmittels verbunden wird, besagte Schaltungsanordnung bestehend aus der Parallelschaltung einer Drossel und einer gesteuerten Stromquelle, gekennzeichnet dadurch, dass der überwiegende Teil des Nutzstroms mit energietechnischer Frequenz über besagte Drossel fließt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei dem die Stromeinspeisung der besagten Stromquelle über einen Transformator stattfindet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass besagte Drossel und besagter Transformator eine Einheit bilden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die gesteuerte Stromquelle einen IGBT-Wechselrichter enthält.
Verfahren zur Regelung des Spannungszwischenkreises einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei der IGBT-Wechselrichter so gesteuert wird, dass der eingeprägte Quellenstrom einen Wirkstromanteil bei der energietechnischen Frequenz aufweist, um die Zwischenkreisspannung konstant zu halten und die durch den Betrieb des besagten Wechselrichters entstehenden Verluste zu decken.
Verfahren zur Regelung der Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche in der Anwendung als frequenzselektives Sperrfilter, gekennzeichnet dadurch, dass der eingeprägte Quellenstrom einen Anteil aufweist, der proportional ist zu der zeitlichen Ableitung der Spannung über den Klemmen der besagten Schaltungsanordnung.
Verfahren zur Regelung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Anwendung als breitbandiges Sperrfilter, gekennzeichnet dadurch, dass der eingeprägte Quellenstrom einen Anteil aufweist, der proportional ist zu dem invertierten Integral über den Spannungsanteilen der Klemmenspannung der besagten Schaltungsanordnung, die eine höhere Frequenz aufweisen als die energietechnische Frequenz.
Verfahren zur Regelung der Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Strom, der von der in Anspruch 1 genannten Stromquelle eingeprägt wird, eine Abhängigkeit von der Spannung zwischen den Klemmen des in Anspruch 1 genannten netzgespeisten Betriebsmittels aufweist.
Verfahren zur Regelung der Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass der Strom, der von der in Anspruch 1 genannten Stromquelle eingeprägt wird, eine Abhängigkeit von der Spannung zwischen den Klemmen des Versorgungsnetzwerks aufweist.
Serielle Anordnung mehrerer Exemplare der besagten Schaltungsanordnung aus einem der vorgenannten Ansprüche jeweils zwischen den Außenleiterklemmen eines mehrphasigen Netzes und den Außenleiterklemmen eines mehrphasigen Betriebsmittels.