DE102006009046A1

DE102006009046A1 - Hybrides Filter

Info

Publication number: DE102006009046A1
Application number: DE102006009046A
Authority: DE
Inventors: Rolf-Dieter Dr. Klug; Axel Prof. Mertens
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-08-23
Also published as: WO2007090481A2; WO2007090481A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hybrides Filter zur Oberschwingungskompensation mit einem Saugkreis (12) und einem aktiven Filter (14), die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Erfindungsgemäß ist elektrisch parallel zum aktiven Filter (14) eine frequenzabhängige Impedanz (16) geschaltet, die für eine Grundschwingung einen niedrigen Betrag und für die zu kompensierende Oberschwingung einen hohen Betrag aufweist. Somit erhält man ein hybrides Filter, dessen Scheinleistung wesentlich verringert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hybrides Filter zur Oberschwingungskompensation mit einem Saugkreis und einem aktiven Filter, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Der Betrieb großer nicht linearer Lasten, beispielsweise Stromzwischenkreis-Umrichter, hat Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz. Diese Netzrückwirkung der nicht linearen Last wird bestimmt von der Impedanz des Versorgungsnetzes und den Reaktanzen zwischen Netz und nicht linearer Last. Die Netzrückwirkungen in Form von Blindstrom und Stromoberschwingungen verändern die Höhe der Netzspannung und verzerren ihre Form. Diese Netzrückwirkungen müssen sich an einen Verträglichkeitspegel orientieren, der einerseits die erforderliche Störfestigkeit und andererseits die zusätzliche Störaussendung aller an diesem Netz angeschlossenen Geräte bestimmt.

Die Veröffentlichung mit dem Titel "Behandlung von Netzrückwirkung und Leistungsfaktor großer Stromrichterantriebe" von Wolfgang Frankenberg und Ulrich Gabriel, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Energie & Automation", Band 9, 1987, Special "Drehzahlveränderbare elektrische Großantriebe", Seiten 96 – 105, befasst sich mit den Netzrückwirkungen eines Stromrichterantriebs im Megawattbereich, der einen Stromzwischenkreis-Umrichter aufweist. Bei derartigen Großantrieben im Megawattbereich wird als primäres Mittel zum Verringern der Oberschwingungsbelastung des Speisenetzes fast immer die zwölfpulsige Stromrichterschaltung eingesetzt. Mit dieser Maßnahme lässt sich die Netzrückwirkung meist innerhalb zulässiger Grenzen halten. Falls dies aber nicht erreicht wird, müssen die Stromrichterantriebe mit angepassten Filter- und Kompensationsanlagen ausgerüstet werden. Beim Bemessen von Filterkreisen sind außer dem betreffenden Antrieb und dem Netz auch die anderen parallel arbeitenden Oberschwingungserzeuger einschließlich deren Filtereinstellungen zu berücksichtigen.

Beim Festlegen der Filterkreisleistung geht man vom Oberschwingungsstrom und der induktiven Stromrichterblindleistung im gewünschten Drehzahlstellbereich aus. Bei großen Stromrichterantrieben ist es notwendig, die unerwarteten Netzrückwirkungen schon im Planungsstadium zu erkennen, damit gegen etwaige störende Auswirkungen rechtzeitig Abhilfemaßnahmen ergriffen werden können. Voraussetzung für eine solche Berechnung und Dimensionierung von Mindestmaßnahmen ist, dass die Netzdaten und die zulässigen Grenzwerte am Anschlusspunkt, definiert als PCC (Point of Common Coupling), bekannt sind.

Neben diesen passiven Filtern sind aktive Filter bekannt, die mit einem spannungseinprägenden Pulsstromrichter aufgebaut sind und so gesteuert und geregelt werden, dass die Oberschwingungen der nicht linearen Last, beispielsweise ein netzgeführter Stromrichter, kompensiert werden, wodurch das speisende Netz mit nahezu sinusförmigem Strom belastet wird.

Die Veröffentlichung mit dem Titel "New Trends in Active Filters" von H. Akagi, abgedruckt im Konferenzband der EPE '95 in Sevilla, Seiten 0.017 – 0.026, stellt verschiedene aktive Filter vor. Zu diesen Ausführungsformen gehören auch Filteranlagen, die aus einem aktiven Filter und einem passiven Filter aufgebaut sind. In dieser Veröffentlichung ist auch ein gattungsgemäßes Filter dargestellt.

Gemäß der Veröffentlichung mit dem Titel "Hybrid-Active Filtering of Harmonic Currents in Power Systems", von Mukul Rastogi, Ned Mohan und Abdel-Aty Edris, veröffentlicht auf dem IEEE/PES Winter Meeting, 29. Januar – 2. Februar 1995 in New York, wird eine Kombination aus einem passiven Filter und einem aktiven Filter als hybrides Filter bezeichnet. In dieser Veröffentlichung wird ein hybrides Filter, bestehend aus einer Reihenschaltung eines Saugkreises und eines aktiven Filters, mit einem hybriden Serien-Filter und einem Aktivfilter verglichen. Dieser Vergleich ergab, dass hybride Filter bezüglich der Kosten und der Verluste zwischen den passiven Filtern und den reinen aktiven Filtern liegen.

Eine Reihenschaltung eines Saugkreises (passives Filter) mit einem U-Umrichter (aktives Filter) wird gemäß der Veröffentlichung "Messungen an einem aktiven Saugkreis" von Erwin Schott und Christian Tuttas, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "etz", Band 114, 1993, Heft 23, Seiten 1370 – 1373, als aktiver Saugkreis bezeichnet. Dieser aktive Saugkreis stellt im Vergleich zum passiven Saugkreis näherungsweise ein ideales Filter dar für die Stromoberschwingungen von Saugkreiseigenfrequenz. Mit dem Pulsstromrichter ist es theoretisch möglich, die ohmschen Verlustwiderstände und eventuelle Resonanzverstimmungen zu kompensieren. Da die ohmschen Widerstände noch Restspannungen mit der Saugkkreisfrequenz hervorrufen, ist eine vollständige Eliminierung der Saugkreisfrequenz nicht möglich. Als Pulsstromrichter ist ein IGBT-Stromrichter mit gleichspannungsseitigem Kondensator vorgesehen. Die Filterwirkung eines passiven Saugkreises lässt sich durch die Reihenschaltung mit einem U-Pulsstrom-richter entscheidend verbessern. Mit einem solchen aktiven Saugkreis kann der Oberschwingungslastfluss im Netz gesteuert werden. Durch den U-Pulsstromrichter erhöhen sich jedoch die Filterverluste.

Bei der Dimensionierung von hybriden Filtern wird darauf geachtet, dass das aktive Filter des hybriden Filters möglichst nur die verbleibenden Oberschwingungsströme liefern muss, wodurch das aktive Filter für eine geringere Scheinleistung dimensioniert werden kann. Der Filterstromrichter hat bezogen auf das hybride Filter den größten Kostenaufwand. Je geringer die Scheinleistung dieses Filterstromrichters bei einem hybriden Filter ausfällt, umso niedriger wird der Kostenaufwand für dieses hybride Filter.

Beim aktiven Saugkreis hängt die Scheinleistung des Filterstromrichters auch von der Abstimmfrequenz des Saugkreises ab. Außerdem wirkt der Grundschwingungs-Blindstrom durch den Saugkreis bestimmend für den Stromeffektivwert und damit für die Scheinleistung des Filterstromrichters.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte hybride Filter derart weiterzubilden, dass die vom Filterstromrichter aufzubringende Scheinleistung wesentlich verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass elektrisch parallel zum aktiven Filter eine frequenzabhängige Impedanz geschaltet wird, die für die Grundschwingung einen niedrigen Betrag und für die zu kompensierenden Oberschwingungen einen hohen Betrag aufweist, wird der Grundschwingungs-Blindstrom am aktiven Filter vorbeigeführt. Die dazu erforderliche Grundschwingungsspannung am aktiven Filter bleibt dabei relativ klein. Da der Grundschwingungs-Blindstrom nun am aktiven Filter vorbeigeführt wird, verringert sich auch wesentlich der Stromeffektivwert des aktiven Filters und damit seine Scheinleistung.

Die Oberschwingungsspannungen, die vom aktiven Filter aufgebracht werden, führen zu einem zusätzlichen Oberschwingungsstrom durch die parallel geschaltete Impedanz. Da diese bei den betreffenden Frequenzen hohe Werte annimmt, bleibt der zusätzliche vom aktiven Filter aufzubringende Oberschwingungsstrom gering.

Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung des bekannten hybriden Filters wird die vom aktiven Filter aufzubringende Scheinleistung wesentlich reduziert. Somit kann als aktives Filter ein Niederspannungs-Umrichter vorgesehen sein, der leistungsmäßig etwa 1-2 % einer am speisenden Netz angeschlossenen nicht linearen Lastleistung aufweisen muss. Wegen dieser geringen Leistung fällt der Niederspannungs-Umrichter kostengünstig aus.

Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen hybriden Filters gegenüber einem gattungsgemäßen hybriden Filter besteht darin, dass das erfindungsgemäße hybride Filter leerlauffest ist. Das heißt, dass beim Betriebszustand "Impulssperre" des Filterstromrichters keine unzulässig hohe Spannung auftreten kann.

Anhand eines einphasigen Ersatzschaltbildes soll nun das erfindungsgemäße hybride Filter näher erläutert werden.
Gemäß dieser Darstellung ist eine nicht lineare Last 2, beispielsweise ein Stromzwischenkreis-Umrichter, als Stromquelle 4 dargestellt. Das speisende Netz ist durch eine sinusförmige Spannungsquelle 6 und eine Kurzschlussreaktanz L_K nachgebildet. An den Klemmen 8 und 10 steht eine Spannung u_L an, die rein sinusförmig ist. Elektrisch parallel zu diesen Klemmen 8 und 10 ist die nicht lineare Last 2 geschaltet. Der Verlauf des nicht linearen Laststromes i_L ist zum Verständnis ebenfalls in dieser Figur dargestellt. Ebenfalls elektrisch parallel zu diesen Klemmen 8 und 10 ist ein hybrides Filter geschaltet, das aus einer Reihenschaltung eines passiven Filters 12 und einem aktiven Filter 14 besteht. Als passives Filter 12 ist bei diesem hybriden Filter ein Saugkreis, bestehend aus einem Kondensator C_SK und einer Induktivität L_SK, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, vorgesehen. Das aktive Filter 14 wird in dieser Darstellung durch eine Spannungsquelle mit einer Spannung u_F dargestellt. Den eingangs genannten Veröffentlichungen EPE '95, Winter Meeting 1995 und etz 1993 sind jeweils eine Ausführungsform eines aktiven Filters 14 zu entnehmen. Bei all diesen Veröffentlichungen wird bei einer dreiphasigen Last 2 als aktives Filter 14 eine sechspulsige Stromrichterbrücke, insbesondere eine IGBT-Brücke (Insulated Gate Bipolar Transistor), verwendet, die gleichspannungsseitig mit einem Kondensator bzw. einer Kondensatorbatterie versehen ist.
Die nicht lineare Last 2, die durch die Stromquelle 4 veranschaulicht ist, prägt eine Grundschwingung und Strom-Ober schwingungen ein. Dieser nicht sinusförmige Laststrom i_L fließt, wenn kein Filter vorgesehen ist, auch im Netz und verursacht einen Spannungsabfall an der Kurzschlussreaktanz L_K. Dieser Spannungsabfall an der Kurzschlussreaktanz L_K führt dazu, dass auch die Spannung u_L an den Klemmen 8 und 10 Oberschwingungen enthält.
Das Prinzip jeder Art von Filter besteht nun darin, für die Oberschwingungen des nicht linearen Laststromes i_L einen Strompfad parallel zum Netz anzubieten, so dass die Kurzschlussreaktanz L_K keine oder nur geringe Oberschwingungsströme führen muss, ihr Spannungsabfall nahezu sinusförmig ist und daher die Spannung u_L an den Klemmen 8 und 10 annähernd sinusförmig wird.
Zunächst wird das hybride Filter ohne erfindungsgemäße Ergänzung (frequenzabhängige Impedanz 16) beschrieben.
Der Saugkreis 12, bestehend aus einer Reihenschaltung des Kondensators C_SK und der Induktivität L_SK, ist auf eine Oberschwingung des nicht linearen Laststromes i_L abgestimmt. Dieser abgestimmte Serienschwingkreis hat bei der Resonanzfrequenz einen Impedanzwert von Null, wodurch die Oberschwingung kurzgeschlossen wird. Das aktive Filter 14 speist einen zusätzlichen Strom i_F ein. Zusätzlich fließt der Grundschwingungsstrom i_SK,1 des Saugkreises 12 durch das aktive Filter 14 durch. Die benötigte Spannung u_F des aktiven Filters 14 entspricht dem Spannungsabfall u_SK, bestehend aus der Summe der Spannungsabfälle an den Kondensator C_SK und der Induktivität L_SK, aufgrund des Oberschwingungsstromes i_SK,m am Saugkreis 12. Die Grundschwingungsspannung u_F,1 des Pulsstromrichters des aktiven Filters 14 ist sehr klein bzw. Null. Diese Grundschwingungsspannung u_F,1 fällt überwiegend am Kondensator C_SK ab. Dazu fließt ein Grundschwingungsstrom i_F,1 durch den Saugkreis, der auch durch den aktiven Teil fließen muss. Da der Saugkreis 12 für die Grundschwingung des nicht linearen Laststromes i_L kapazitiv wirkt, ist eine Teilkompensation einer Blindleistung möglich. Durch die Wahl des Verhältnisses von Induktivität L_SK und Kapazität C_SK des Saugkreises 12 kann die Spannung u_F des aktiven Filters 14 nahezu unter Beibehaltung seiner Scheinleistung eingestellt werden.
Gemäß der Erfindung ist elektrisch parallel zum aktiven Filter 14 eine frequenzabhängige Impedanz 16 geschaltet, die im einfachsten Fall durch eine Induktivität realisiert ist. Diese frequenzabhängige Impedanz weist für die Grundschwingung einen niedrigen Betrag und für die zu kompensierenden Oberschwingungen einen hohen Betrag auf. Dadurch wird der Grundschwingungs-Blindstrom am aktiven Filter 14 vorbeigeführt. Die dazu erforderliche Grundschwingungsspannung am aktiven Filter 14 bleibt dabei relativ klein.
Der Pulsstromrichter des aktiven Filters 14 wird derart gesteuert, dass der gesamte Oberschwingungsstrom der nicht linearen Last 2 durch den Saugkreis 12 fließt. Dieser Saugkreis 12 ist auf die n-te Harmonische des Laststromes i_L abgestimmt. Dazu muss der Pulsstromrichter des aktiven Filters 14 eine Oberschwingungsspannung aufbringen. Hinzu kommt eine Grundschwingung, die einen gewünschten Grundschwingungsstrom i_L2,1 durch die frequenzabhängige Impedanz 16 treibt. Dieser Grundschwingungsstrom i_L2,1 soll einen Anteil α an der gesamten Grundschwingung des Saugkreisstromes i_SK,1 haben. Somit gilt i_L2,1 = α·i_SK,1. Nur der Rest des Saugkreisstromes i_SK,1, nämlich (1 – α)·i_SK,1 fließt durch den Pulsstromrichter des aktiven Filters 14. Typische Werte für den Wert des Anteils α liegen zwischen Null und Eins (0 < α < 1). Es ist aber auch denkbar, andere Werte einzusetzen, um beispielsweise die kapazitive Grundschwingungsblindleistung zu steuern. Das Verhältnis der Grundschwingung von Laststrom i_L und Saugkreisstrom i_SK, das mit dem Faktor k bezeichnet wird, ist dann vom Anteil α abhängig.
Somit gibt es für die Dimensionierung dieses hybriden Filters vier Parameter, die zu wählen sind. Diese sind:

– k: Bezogener Grundschwingungs-Blindstrom der Filteranordnung.
– m: Ordnung der Oberschwingung, auf die der Saugkreis aus L_SK und C_SK abgestimmt ist.
– L_SK/L₂: Verhältnis der beiden Induktivitäten.
– α: Anteil des Grundschwingungsstromes, der durch die parallel zum Filterstrom angeschlossene frequenzabhängige Impedanz 16 fließt.

Ziel einer Optimierung des hybriden Filters ist jeweils die Minimierung der Scheinleistung des Filterstromrichters des aktiven Filters 14, da dieser den größten Kostenaufwand bedeutet.
Mit einer Optimierung des hybriden Filters liegt der erforderliche Wert der Scheinleistung des Pulsstromrichters des aktiven Filters 14 bei einer Leistung der nicht linearen Last von beispielsweise 40MW nur bei beispielsweise ca. 100kVA. Ein derartiger Pulsstromrichter ist bei einer derartigen Scheinleistung noch mit Niederspannungs-Leistungshalbleitern, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren, realisierbar.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen hybriden Filters liegt beim Stromrichterschutz. Die Leerlaufspannung an der Induktivität L₂ liegt unter 2 %. Daher kann auch im Leerlauf keine Spannung anliegen, die den Pulsstromrichter gefährden könnte. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber einem gattungsgemäßen hybriden Filter, bei dem zusätzliche Vorkehrungen zum Anfahren und zum Schutz des Filterstromrichters zu treffen sind.

Claims

Hybrides Filter zur Oberschwingungskompensation mit einem Saugkreis (12) und einem aktiven Filter (14), die elektrisch in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch parallel zum aktiven Filter (14) eine frequenzabhängige Impedanz (16) geschaltet ist, die für eine Grundschwingung einen niedrigen Betrag und für die zu kompensierende Oberschwingung einen hohen Betrag aufweist.
Hybrides Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als frequenzabhängige Impedanz (16) eine Induktivität vorgesehen ist.
Hybrides Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als aktives Filter (14) ein Niederspannungs-Umrichter vorgesehen ist.
Hybrides Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Niederspannungs-Umrichter ein Transistorpulsstromrichter vorgesehen ist.
Hybrides Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Transistoren des Pulsstromrichters Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren vorgesehen sind.