DE102016006431A1

DE102016006431A1 - Verfahren zur Verbesserung der Qualität elektrischer Verteilnetze

Info

Publication number: DE102016006431A1
Application number: DE102016006431.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Oettmeier; Jens Fiedler
Original assignee: Wilo SE
Current assignee: Wilo SE
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Verteilnetzes (1) mit einer Mehrzahl, insbesondere einer Vielzahl elektrischer Verbraucher (3, 4), von denen mindestens ein Verbraucher (4) eine drehzahlregelbare elektromotorische Antriebseinheit (5, 6), insbesondere ein Pumpenaggregat (5, 6) ist. Dabei wird die Leistung der Antriebseinheit (5, 6) in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzfrequenz des Verteilnetzes (1) von einer Nennfrequenz und/oder in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzspannung (UNet(t)) des Verteilnetzes (1) von einer Nennspannung oder der reinen Sinusform eingestellt. Die Erfindung betrifft ferner eine drehzahlregelbare elektromotorische Antriebseinheit (5, 6) zur Durchführung des Verfahrens sowie ein elektrisches Verteilnetz mit mindestens einer derartigen Antriebseinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Verteilnetzes, insbesondere eines schwachen Verteilnetzes, mit einer Mehrzahl, insbesondere einer Vielzahl elektrischer Verbraucher, von denen mindestens ein Verbraucher eine drehzahlregelbare, elektromotorische Antriebseinheit, insbesondere ein Pumpenaggregat ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine drehzahlregelbare elektromotorische Antriebseinheit zur Durchführung des Verfahrens, ein Pumpenaggregat, eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Pumpenaggregat sowie ein elektrisches Verteilnetz mit mindestens einer drehzahlregelbaren elektromotorischen Antriebseinheit gemäß der Erfindung.
In elektrischen Verteilnetzen können schnell Leistungsfluktuationen auftreten, die im schlimmsten Fall zu einem vollständigen Zusammenbruch des Verteilnetzes führen können. Dies ist vor allem bei schwachen Netzen ein Risiko. Schwache Verteilnetze sind beispielsweise solche Netze, die nur aus einer oder wenigen Energiequelle(n), nur aus regenerativen Energiequelle(n) und/oder einem oder wenigen mobilen Generator(en) gespeist werden, und somit nicht auf ein Rückgrat vieler dauerhaft parallel laufender, großer Synchrongeneratoren von Kraftwerken zurückgreifen können. Inselnetze oder elektrische Verteilnetze in Entwicklungsländern sind häufig schwache Verteilnetze. Auch werden in Katastrophenfällen, wenn die öffentliche Stromversorgung zusammenbricht oder in großen Teilen beeinträchtigt ist und somit gestützt werden muss, oft hilfsweise elektrische Verteilnetze aufgebaut, die jedoch in ihrer Fähigkeit, eine stabile Leistungsversorgung zur Verfügung zu stellen, beschränkt sind. Es versteht sich von selbst. dass die von elektrischen Verteilnetzen zur Verfügung gestellte Leistung ohnehin naturgemäß begrenzt ist. Bei schwachen Verteilnetzen ist ebendiese Leistungsbereitstellung zumeist deutlich geringer im Vergleich zu konventionellen Verteilnetzen der öffentlichen Stromversorgung, da die Anzahl und Art einspeisender Energiequellen im Vergleich zur Anzahl der Verbraucher und Art der Verbraucher deutlich geringer ist und nur geringe Energiereserven vorliegen.
Zudem können die Anzahl und Art der Verbraucher ein Verteilnetz deutlich beeinträchtigen. Wenn viele Verbraucher Leistung aus dem Verteilnetz ziehen, kann die Netzfrequenz sinken. Ferner verursachen nicht ideale Verbraucher Verzerrungen der idealerweise rein sinusförmigen Ströme und Spannungen im Netz. Die Kuppen der Sinuskurven sind dadurch abgeflacht. Dieses Phänomen ist in 1 veranschaulicht. Ein elektrisches Schaltnetzteil eines nicht-linearen Verbrauchers zieht nur bei den Kuppen der idealerweise rein sinusförmigen Netzspannung U_Net(t) einen Strom I_V(t), was zu ebendieser Abflachung der Kuppen in der Sinusform der Netzspannung U_Net(t) führt. Dies hat wiederum Probleme bei anderen Verbrauchern zu Folge, die eine rein sinusförmige Spannung einer festen Frequenz erwarten bzw. für ihre Regelung benötigen. Schließlich führen die Abflachungen auch zu einem höheren Blindleistungsverbrauch und höheren elektrischen Verlusten im Verteilnetz.
Nicht ideale Verbraucher sind insbesondere solche, die Schaltnetzteile verwenden, d. h. schaltende elektrische Komponenten wie beispielsweise leistungselektronische Halbleiterschalter, um die Netzspannung oder Netzfrequenz für einen Verbraucher zu ändern. Derartige Schaltnetzteile sind heutzutage in sämtlichen Geräten der Unterhaltungselektronik vorhanden und beeinträchtigen daher die Verteilnetze.
Die durch die nichtlinearen Verbraucher erzeugten Probleme werden heutzutage weitgehend dadurch vermieden bzw. kompensiert, dass die vernetzten Energiequellen der öffentlichen elektrischen Verteilnetze ausreichend Leistungsreserven besitzen, um das Netz selbst im Falle von Leistungsfluktuationen zu stabilisieren. Beispielsweise sind enorme Reserven in der Rotationsenergie der riesigen Synchronmaschinen gespeichert. Dabei werden Netzverzerrungen entweder durch passive/aktive Filter kompensiert oder letztendlich ignoriert, d. h. die in Folge des höheren Blindleistungsverbrauchs erzeugten Verluste über die Zuleitungswege oder seitens des Verbrauchers schlichtweg akzeptiert.
Demgegenüber werden jährlich tausende von elektromotorischen, drehzahlregelbaren Antriebseinheiten, insbesondere geregelte Pumpenaggregate in den Markt gebracht, die mit einem elektrischen Verteilnetz, vor allem den öffentlichen Energieverteilnetzen verbunden werden bzw. verbunden sind. In ihrer Gesamtheit repräsentieren diese Verbraucher eine elektrische Leistungsaufnahme von mehreren tausend Kilowatt. Die Antriebseinheiten sind reine Verbraucher und daher im Allgemeinen im Gegensatz zu Erzeugern wie private Photovoltaikanlagen oder Brennstoffzellen nicht an einer Unterstützung der Netzqualität beteiligt.
Die Leistungsqualität elektrischer Verteilnetze gewinnt heutzutage mehr und mehr an Bedeutung. Die Masse kleiner Geräte, d. h. solcher elektrischer Verbraucher, die einen Leistungsverbrauch von weniger als 0,5 kW/h aufweisen und deshalb geringeren Restriktionen hinsichtlich der geforderten Netzqualität unterliegen, führen zu beträchtlichen Verzerrungen in der Netzspannung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Qualität eines elektrischen, insbesondere eines schwachen elektrischen Verteilnetzes zu verbessern und dadurch die elektrische Energieversorgung für alle Verbraucher zu stabilisieren. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit, insbesondere ein Pumpenaggregat bereitzustellen, das zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Leistung einer als Verbraucher an das elektrische Verteilnetz angeschlossenen Antriebseinheit in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzfrequenz des Verteilnetzes von einer Nennfrequenz und/oder in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzspannung des Verteilnetzes von einer Nennspannung oder der reinen Sinusform einzustellen.
Insoweit wird auch eine Antriebseinheit zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen, die einen Elektromotor zum Antreiben einer Last, insbesondere einer Pumpeneinheit und eine Motorelektronik zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors umfasst, wobei die Antriebseinheit von dem elektrischen Verteilnetz gespeist wird, und die Motorelektronik eingerichtet ist, die Leistung der Antriebseinheit in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzfrequenz des Verteilnetzes von einer Nennfrequenz und/oder in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzspannung des Verteilnetzes von einer Nennspannung oder der reinen Sinusform dynamisch anzupassen.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein elektrisches Verteilnetz mit einer Mehrzahl, insbesondere einer Vielzahl elektrischer Verbraucher vorgeschlagen, wobei von den Verbrauchern mindestens ein Verbraucher eine erfindungsgemäße Antriebseinheit insbesondere ein Pumpenaggregat ist.
Die Kernidee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht somit darin, zumindest eine drehzahlregelbare elektromotorische Antriebseinheit, insbesondere ein Pumpenaggregat, d. h. einen Verbraucher des Verteilnetzes zu verwenden, um Spannungs- und/oder Frequenzeinbrüchen des Verteilnetzes entgegenzuwirken und somit die Netzqualität zu erhöhen. Je nach Größe des Verteilnetzes mag diese zu erreichende Wirkung mit einer einzigen Antriebseinheit zwar gering sein; je mehr Antriebseinheiten aber erfindungsgemäß arbeiten, umso ausgeprägter ist die Wirkung, so dass eine Kompensation eines Spannungs- und/oder Frequenzeinbruchs möglich ist.
Ein großer Vorteil ergibt sich deshalb dann, wenn viele in der erfindungsgemäßen Weise wirkende Antriebseinheiten an das Verteilnetz angeschlossen sind bzw. eine Vielzahl der Verbraucher des elektrischen Verteilnetzes elektrisch parallel betriebene Antriebseinheiten sind, in denen das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist. So können beispielsweise bis zu einigen hunderttausend solcher Antriebseinheiten zur Netzstützung verwendet werden. Auf diese Weise wird das Netz von vielen Stellen punktuell und unabhängig voneinander gestützt.
Das Kompensieren von Abweichungen in der Netzfrequenz und/oder der Netzspannung kann vorteilhafterweise durch eine reine Softwaremodifikation erreicht werden, so dass bei den heutigen Antriebseinheiten insbesondere den Pumpenaggregaten, keine neuen Komponenten oder technische Umbauten erforderlich sind, um das erfindungsgemäße Verfahren umzusetzen. Vor allem benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine Messung des von der Antriebseinheit aufgenommenen Stroms, so dass auf eine teure und aufwändige Messtechnik hierfür verzichtet werden kann. Netzspannung und Netzfrequenz sind demgegenüber leicht zu ermitteln, beispielsweise mittels Spannungsteiler und AD-Wandler mit anschließender Signalanalyse des Messwerts.
Vorzugsweise kann die Netzfrequenz und/oder die Netzspannung von einer Motorelektronik der Antriebseinheit selbständig ermittelt werden, wobei im Falle eines Pumpenaggregats als Antriebseinheit die Motorelektronik einer Pumpenelektronik entspricht. Es ist somit nicht erforderlich, zusätzliche Messtechnik extern zur Antriebeinheit zu verwenden. Idealerweise bestimmt die Motorelektronik auch aufgrund der ermittelten Netzfrequenz und/oder der Netzspannung wie und um welches Maß die Leistung geändert werden muss, um einer Abweichung von der Nennfrequenz, Nennspannung oder der Sinusform entgegenzuwirken. Es ist somit nicht erforderlich, eine zentrale Instanz zu verwenden, um lokal vorzunehmende Maßnahmen zur Kompensation eines Spannungs- oder Frequenzeinbruchs zentral festzulegen und anzuordnen. Vielmehr agiert jede erfindungsgemäße Antriebseinheit des Verteilnetzes selbstständig. Im Vergleich zu so genannten „Smart Grid” Konzepten, die eine Kommunikation zwischen Netzwerkkomponenten, insbesondere mit einem zentralen Server voraussetzt, um einen gewünschten Leistungszustand in Erfahrung zu bringen, wird hier folglich der Zustand des Netzes von der Antriebseinheit selbst bestimmt. Das Kompensieren von Fluktuationen in der Netzfrequenz und/oder der Netzspannung kann somit vollkommen ohne Kommunikation mit anderen Netzwerkkomponenten erfolgen. Die Stabilisierung des erfindungsgemäßen Verteilnetzes wird somit vollkommen autark in der jeweiligen Antriebseinheit bewirkt.
Ein weiterer Vorteil der selbständigen Ermittlung der Netzfrequenz und/oder Netzspannung besteht darin, dass die Antriebseinheit die Netzqualität am Ort seiner Anordnung überwacht und damit in der Nähe anderer Verbraucher, die die Störungen im Netz verursachen. Hierdurch wird eine dezentrale Netzstabilisierung erreicht, die insbesondere bei mehreren Pumpenaggregaten gleichzeitig wirkt, d. h. im Verteilnetz verteilt stattfinden kann, so dass das Netzwerk an mehreren Stellen gestützt wird. Gerade bei sich weit, insbesondere im Wesentlichen sternförmig erstreckenden Netzen kann hierdurch Fluktuationen effektiv entgegengewirkt werden. Denn sie können sogleich dort oder – aus Netzwerksicht – zumindest in der Nähe des Ortes kompensiert werden, wo sie entstehen, nämlich am Ort des oder der nicht-linearen Verbraucher.
Vorzugsweise analysiert die Antriebseinheit kontinuierlich die Netzqualität, indem es die Netzfrequenz und/oder die Netzspannung kontinuierlich überwacht. Es ist somit stets über den Netzzustand informiert und kann entsprechende Kompensationsmaßnahmen unverzüglich durchführen oder beenden, wenn sie nicht mehr erforderlich sind oder kontraproduktiv wären.
Eine Verbesserung der Netzqualität kann gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung beispielsweise dadurch erfolgen, dass in Abhängigkeit der Abweichung von der Nennfrequenz die Wirkleistungsaufnahme der Antriebseinheit eingestellt wird. Eine Abweichung der Netzfrequenz von der Nennfrequenz ist ein Indikator für eine Unausgewogenheit zwischen der aktuell erzeugten Energie, d. h. in das Verteilnetz eingespeisten, und der verbrauchten Energie. Eine solche Unausgewogenheit kommt beispielsweise bei verbraucherseitigen Lastwechseln vor. Werden beispielsweise eine Vielzahl Verbraucher überraschend gleichzeitig eingeschaltet, kann das oder die versorgende(n) Kraftwerk(e) möglicherweise nicht schnell genug darauf reagieren und die geforderte Leistung zur Verfügung stellen. Die Folge ist ein Einbruch der Netzfrequenz, die überall im Verteilnetz gleich ist. Die dynamischen Effekte dieser Lastwechsel können durch eine Anpassung der Wirkleistungsaufnahme der Antriebseinheit kompensiert werden, da sie verbraucherseitig parallel zu dem den Lastwechsel ausführenden Verbraucher liegt.
Die Anpassung bzw. Einstellung der Wirkleistungsaufnahme kann direkt erfolgen oder indirekt durch Einstellung einer anderen Größe, wie beispielsweise der Drehzahl, wodurch sich wiederum die elektrische Leistungsaufnahme der Antriebseinheit ändert und dadurch die Netzfrequenz stabilisiert.
Die Anpassung der Wirkleistungsaufnahme oder der Drehzahl erfolgt in Abhängigkeit der Abweichung von der Nennfrequenz, vorzugsweise gemäß einer proportionalen Abhängigkeit. Dies bedeutet, dass bei einer Unterschreitung der Nennfrequenz die Leistungsaufnahme oder die Drehzahl reduziert und bei einer Überschreitung erhöht wird. Hierzu sei folgender Hintergrund erläutert: die Netzfrequenz gibt Aufschluss über die Belastung des Verteilnetzes, da sie im gesamten Verteilnetz gleich ist. Wenn dem Netz viel Wirkleistung entzogen wird, führt dies im Falle der Netzspeisung durch Synchronmaschinen dazu, dass diese langsamer drehen, wodurch entsprechend die Netzfrequenz fällt. Wird demgegenüber zu wenig Wirkleistung aus dem Verteilnetz entnommen, drehen die Synchronmaschinen schneller.
Einer zu geringen Netzfrequenz kann somit entgegengewirkt werden, indem weniger Leistung aus dem Verteilnetz entnommen wird. Dies wird indirekt beispielsweise durch Verringerung der Drehzahl der Antriebseinheit erreicht. Demgegenüber kann einer zu hohen Netzfrequenz dadurch entgegengewirkt werden, dass die Drehzahl der Antriebseinheit erhöht wird, wodurch seine elektrische Wirkleistungsaufnahme steigt. Je mehr Antriebseinheiten dieses Vorgehen durchführen, umso geringer kann die Drehzahländerung sein, weil dann die Anzahl der Antriebseinheiten den gewünschten Effekt erzielt und nicht die Maßnahme alleine. Insoweit braucht die Änderung gegebenenfalls nur bei wenigen Prozent zu liegen. Bei Pumpenaggregaten, wie sie beispielsweise in Heizungsanlagen, Kühlsystemen, Druckerhöhungsanlage der Trinkwasserversorgung, Brunnen oder Bohrlöchern, oder Abwasserentsorgungsanlagen verwendet werden, wirkt sich eine solch geringe Wirkleistungsänderung nicht merklich auf den Betrieb aus oder kann zugunsten einer Verbesserung der Netzqualität in Kauf genommen werden.
Eine Steigerung der Leistungsaufnahme kann alternativ jedoch auch durch andere Maßnahmen erreicht werden, beispielsweise indem in dem Pumpenaggregat Leistung durch zumindest zeitweise hinzuschaltbare ohmsche Widerstände in Wärme umgewandelt wird. Eine weitere Möglichkeit ist beispielsweise, den Wirkungsgrad des Pumpenaggregats künstlich zu verschlechtern, beispielsweise durch Erhöhung der mechanischen Reibung oder durch Einstellung der Motorströme derart, dass derselbe Betriebspunkt im HQ-Kennfeld durch eine höhere Leistung erzielt wird.
Eine Verbesserung der Netzqualität kann gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung zusätzlich oder alternativ zum ersten Aspekt dadurch erfolgen, dass in Abhängigkeit einer Abweichung von der Nennspannung oder der reinen Sinusform die Blindleistung eingestellt wird. Hierzu sei Folgendes erläutert: die Netzspannung verändert sich im Falle zunehmender Belastung des Verteilnetzes durch nichtlineare Verbraucher, welche dem Netz Ströme entziehen, die nicht exakt der Netzspannungsform entsprechen. Durch diese Ströme kommt es an den Netzimpedanzen zu Spannungsabfällen, die zu einer Verzerrung der Netzspannung führen. Die dadurch eingeprägten Frequenzen können ungradzahlige Vielfache der Grundschwingung, d. h. der Netzfrequenz sein, beispielsweise der 3-fachen, 5-, 7-, 9-, 11- oder 13-fachen Netzfrequenz. Frequenzanteile mit diesen Vielfachen werden Oberschwingungen oder Harmonische genannt. Hierdurch werden die Kuppen der rein sinusförmigen Grundschwingung der Netzspannung abgeflacht, wie dies 1 zeigt. Dieser Erscheinung kann dadurch entgegengewirkt werden, dass die Blindleistung der Antriebseinheit erhöht wird.
Blindleistung hat keine Fließrichtung. Sie ist vielmehr das Ergebnis einer zwischen Erzeuger und Verbraucher pendelnden Leistung. Während in der einen Halbschwingung die Leistung in Richtung Verbraucher fließt, fließt sie in der nächsten Halbschwingung in Richtung Erzeuger, so dass über eine Periode integriert, keine Leistung übertragen wird. Vor diesem Hintergrund wird nachfolgend nicht von einer „Blindleistungsaufnahme” oder „-abgabe” gesprochen.
Eine Erhöhung der Blindleistung der Antriebseinheit kann dadurch erreicht werden, dass gezielt Blindströme in das Verteilnetz eingeprägt werden. Um diese zu ermitteln, kann eine Frequenzanalyse der ermittelten Netzspannung durchgeführt und können daraus die vorhandenen Oberwellen ermittelt werden. Eine Anpassung der Blindleistung, insbesondere eine Erhöhung, kann dann in Abhängigkeit der Oberwellen erfolgen. Durch diese Blindströme wird den die Netzspannungsverzerrungen verursachenden Spannungsabfällen an den Netzimpedanzen entgegengewirkt. Bestenfalls werden diese vollständig kompensiert.
Die Frequenzanalyse kann geeigneterweise innerhalb der Motorelektronik respektive der Pumpenelektronik durchgeführt werden. Sie kann im Zeitbereich oder im Frequenzbereich erfolgen, letzteres beispielsweise mittels DFT (Diskrete Fourier-Transformation) oder FFT (Fast Fourier Transformation) der Netzspannung. Dies liefert die Information, welche Harmonischen vorhanden sind und wie groß ihr Signalanteil am Gesamtspektrum ist.
Hierauf basierend kann ein Kompensationsstrom gebildet werden, der in das Verteilnetz einzuprägen ist und den Harmonischen der Netzspannung entgegenwirkt. Da die Netzimpedanz unbekannt ist, kann dieser Kompensationsstrom aus Stromanteilen derjenigen Frequenzen gebildet werden, d. h. aus denjenigen Frequenzanteilen aufgebaut werden, die den vorhandenen Oberwellen der Netzspannung mit 180° gedrehter Phase entsprechen. Dabei genügt es, wenn die dominierenden Frequenzanteile der Netzspannung in dem Kompensationsstrom Berücksichtigung finden. Eine Phasendrehung von 180° bedeutet aber nur bei ohmschen Netzimpedanzen eine korrekte Kompensation. Weicht die Netzimpedanz stark von einem ohmschen Widerstand ab, so kann es sinnvoll sein, den Phasenwinkel nicht konstant sondern abhängig von den typischen Impedanzen wie beispielsweise von Verteilertransformatoren zu wählen, um damit eine bessere Kompensation zu erzielen. So kann der Phasenwinkel aus der Phasendrehung von 180° und einer Korrekturphase φ₀ bestehen, die in Abhängig der Netzimpedanz bestimmt wird.
Es ist auch möglich, während der Kompensation abhängig von der durch den Kompensationsstrom bewirkten Spannungsänderung auf die Netzimpedanz zu schließen und entsprechend den Phasenwinkel anzupassen.
Liegt beispielsweise eine Verzerrung der reinen Sinusform der Netzspannung durch das 3., 5. und 7. Vielfachen der Spannungsgrundschwingung (z. B. 50 Hz) vor (3., 5. und 7. Harmonische) vor, so kann der Kompensationsstrom z. B. durch drei Stromanteile gebildet sein, deren Frequenzen den Harmonischen der Netzspannung entsprechen: I_comp(t) = a₁·sin(3ωt + 180°) + a₂·sin(5ωt + 180°) + a₃·sin(7ωt + 180°)
Dabei sind I_comp(t) der Kompensationsstrom, a₁, a₂, a₃ die Amplituden der Stromanteile/Frequenzanteile und ωt die Netzfrequenz. Somit bildet a_i·sin(x_iωt + 180°) die allgemeine Form eines Stromanteils des einzuprägenden Kompensationsstroms zur Kompensation der x-ten Harmonischen in der Netzspannung. Die Amplituden sind naturgemäß positive Zahlen. Um die Phasendrehung von 180° zu erreichen, können die Amplituden alternativ zur Phasenverschiebung innerhalb des Sinus-Ausdrucks auch negativ sein oder der gesamte Ausdruck für den Kompensationsstrom negiert werden: I_comp(t) = –[a₁·sin(3ωt) + a₂·sin(5ωt) + a₃·sin(7ωt)]
Der Kompensationsstrom kann im einfachsten Fall auch nur durch einen Stromanteil gebildet sein, wenn nur eine bestimmte, z. B. eine dominante Harmonische kompensiert werden soll. Andererseits kann der Kompensationsstrom gegenüber dem gegebenen Beispiel auch mehr als drei, gegebenenfalls eine Vielzahl Stromanteile aufweisen. Er kann dann in der allgemeinen Form
gebildet werden, wobei n die Anzahl zu kompensierender Harmonischer und x_i das die entsprechende Harmonische ausbildende x-te Vielfache der Grundschwingung der Netzspannung ist.
Der Kompensationsstrom I_comp(t) überlagert sich im Verteilnetz mit den Lastströmen der anderen Verbraucher. Er verursacht entlang der Netzimpedanzen einen Spannungsabfall, der durch die Phasenverschiebung von 180° den Harmonischen der Netzspannung bei ohmscher Netzimpedanz entgegenwirkt. Da die Netzimpedanz unbekannt ist, kann auch ein zweiter Regler verwendet werden, der die Phasenverschiebung von initial 180° um eine Korrekturphase φ₀ verändert, um den Kompensationsstrom optimal an die Netzimpedanz anzupassen. Es ist somit nicht erforderlich, irgendwelche Lastströme im Verteilnetz zu messen, um einen Kompensationsstrom zu bilden. Erfindungsgemäß erfolgt dies allein durch Auswertung des Frequenzspektrums der Netzspannung.
Die Amplituden a_i der Stromanteile können innerhalb der physikalischen Grenzen der Antriebseinheit unabhängig voneinander eingestellt werden. Somit kann den Harmonischen individuell entgegengewirkt werden. Dabei können die Amplituden a_i betragsmäßig proportional zur Höhe des Anteils der entsprechenden Harmonischen in der Netzspannung sein. Da gleichwohl der Beitrag einer einzigen erfindungsgemäßen Antriebseinheit zur Verbesserung der Netzqualität gering ist, ist es sinnvoll, den Kompensationsstrom maximal zu wählen, so dass die maximal von der Antriebseinheit zur Verfügung stellbare Blindleistung bereitgestellt wird. So kann zumindest die Amplitude a₁ des Frequenzanteils mit der der Harmonischen mit der kleinsten Ordnungszahl entsprechenden Frequenz, in der Regel die 3. Harmonische (3ωt), maximal gewählt sein. Die Höhe der übrigen Amplituden a₂, ..., a_n kann entsprechend ihrem Verhältnis zum Anteil der Harmonischen mit der kleinsten Ordnungszahl gewählt sein.
Alternativ oder zusätzlich zur Erhöhung der Blindleistung durch Einprägen des Kompensationsstroms kann die Phasenverschiebung zwischen dem aufgenommenen Strom und der Netzspannung vergrößert werden. Dies ist beispielsweise mittels einer aktiven Leistungsfaktorregelung möglich, die eigentlich diese Phasenverschiebung minimieren und somit den Leistungsfaktor erhöhen soll. Durch eine Reduzierung des Leistungsfaktors wird zwar der Wirkungsgrad der Antriebseinheit geringer, jedoch ist dies im Interesse der Verbesserung der Netzqualität hinnehmbar. Das Pumpenaggregat kann auf diese Art als aktiver Filter, bzw. als Phasenschieber betrieben werden, um die Netzverzerrungen zu reduzieren. Während die Wirkung auf das Verteilnetz deutlich ist, wirkt sich auch dieses vorgeschlagene Vorgehen nur geringfügig auf die von der Antriebseinheit angetriebene Last aus, insbesondere wenn diese eine Pumpe ist, weil sie eine vergleichsweise große Zeitkonstante besitzt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl und/oder die Wirkleistungsaufnahme erst dann angepasst wird, wenn die Netzfrequenz um ein bestimmtes Maß von der Nennfrequenz abweicht, beispielsweise um mehr als 1%.
So führen unbedenkliche Fluktuationen nicht zu einem Eingriff in den Betriebszustand der Antriebseinheit und die Antriebseinheit muss nicht permanent geregelt werden.
Entsprechend dieser Verfahrensweise kann die Blindleistung erst dann angepasst werden, wenn die Netzspannung um ein bestimmtes Maß von der Nennspannung abweicht, beispielsweise um mehr als 5%. Als Bezugsgröße kann hier die Amplitude oder der Effektivwert der Nennspannung verwendet werden. Alternativ zur Nennspannung als Referenzgröße kann aus der Summe der Oberwellen ein Klirrfaktor verwendet werden, der den Grad der nichtlinearen Verzerrung der reinen Sinusform der Netzspannung angibt. Der Klirrfaktor wird aus dem Verhältnis des Effektivwerts aller Oberwellen der Netzspannung zum Effektivwert des gesamten Netzspannungssignals gebildet. Bei einem oberwellenfreien Signal ist der Klirrfaktor somit null. So kann die Blindleistung in einer Ausführungsvariante erst dann angepasst werden, wenn der Klirrfaktor einen bestimmten Grenzwert überschreitet, beispielsweise 0,1. Netzspannung (Amplitude oder Effektivwert) und Klirrfaktor können sowohl bei der Blindleistungserhöhung durch den Kompensationsstrom als auch bei der Phasenverschiebung als Referenzgröße verwendet werden.
Geeigneterweise kann die Drehzahl und/oder die Wirkleistungsaufnahme umso stärker angepasst werden, je höher die Abweichung von der Nennfrequenz ist. Es wird somit bewirkt, dass die Kompensationsmaßnahme stets an die Höhe der Fluktuation angepasst und die Regelung des Pumpenaggregats nur soweit geändert wird, wie dies nötig ist. Entsprechend dieser Verfahrensweise kann die Blindleistung umso stärker angepasst werden, je höher die Abweichung der Netzspannung von der Nennspannung (Amplitude oder Effektivwert) oder des Klirrfaktors vom Grenzwert ist.
Vorzugsweise wird die Änderung der Drehzahl und/oder der Wirkleistungsaufnahme der Antriebseinheit auf einen Maximalwert begrenzt. Dies stellt sicher, dass die Antriebseinheit trotz ihrer Zusatzfunktion der Netzstabilisierung noch immer zuverlässig ihre eigentliche Hauptaufgabe, nämlich die Last, insbesondere die Pumpe anzutreiben, verrichten kann. Beispielsweise kann die Drehzahl und/oder kann die Wirkleistungsaufnahme im Bereich zwischen maximal ±20% verändert werden.
Die erfindungsgemäße drehzahlregelbare elektromotorische Antriebseinheit treibt geeigneterweise eine Last an, vorzugsweise eine Pumpeneinheit, insbesondere eine Kreiselpumpe. In der baulichen oder funktionalen Vereinigung der Antriebseinheit einschließlich ihrer Motorelektronik mit der Pumpeneinheit, bildet sie ein Pumpenaggregat, wobei die Motorelektronik eine Pumpenelektronik ist, welche die Antriebseinheit gemäß hydraulischer Größe wie Förderhöhe und Förderstrom regeln kann. Alternativ kann die Last auch ein Lüfter sein.
Das Pumpenaggregat kann eine mobile Abwasserpumpe oder Tauchpumpe zum Abpumpen von Wasser in Überflutungsgebieten oder zum Heben von Tiefenwasser aus Brunnen, Bohrlöchern oder Zisternen zur Trinkwasserversorgung sein. Alternativ kann es eine Boosterpumpe zur Druckerhöhung von Löschwasser für die Feuerbekämpfung sein. Gerade bei diesen Pumpentypen oder Pumpen, die besondere für eine solche Verwendung vorgesehen sind, kommt es vor, dass sie von einem schwachen elektrischen Verteilnetz elektrisch versorgt werden, weil sie bei Katastrophen oder gering entwickelten Landgebieten, insbesondere in Entwicklungsländern eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: Verlauf einer verzerrten Netzspannung und eines Laststrom eines nicht-linearen Verbrauchers
2: Frequenzspektrum der verzerrten Netzspannung
3: vereinfachtes Schaltbild eines Verteilnetzes samt Verbraucher
4: drehzahlregelbare, elektromotorische Antriebseinheit samt Last
5: Ablaufdiagramm zur Netzfrequenzstabilisierung
6: Ablaufdiagramm zur Netzspannungsstabilisierung
1 zeigt den Verlauf des Stroms I_V(t) eines nicht-linearen Verbrauchers, beispielsweise eines elektronischen Schaltnetzteils, und einer Netzspannung U_Net(t) eines elektrischen Verteilnetzes. Der Strom I_V(t) ist nur im Bereich der Kuppen der Netzspannung U_Net(t) ungleich null, infolgedessen der Verlauf der Netzspannung U_Net(t) von der reinen Sinusform dahingehend abweicht, dass die Kuppen abgeflacht sind.
Das Frequenzspektrum einer solchen Netzspannung U_Net(t) ist in 2 gezeigt. Neben der Grundschwingung, die dem Frequenzanteil mit der Ordnungsnummer 1 entspricht, besitzt das Frequenzspektrum Oberwellen bei sämtlichen ungradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz, wobei der Oberwellenanteil nach der 13. Harmonischen vernachlässigbar klein ist.
3 zeigt ein Schaltbild eines elektrischen Verteilnetzes 1, das hier der Einfachheit halber einphasig ist, jedoch auch ohne Abweichung von der erfindungsgemäßen Grundidee drei oder mehrphasig sein kann. Das Verteilnetz 1 umfasst mindestens einen Wechselspannungserzeuger 2, der die Netzspannung U_Net(t) in Höhe einer bestimmten Nennspannung U_nenn und mit einer bestimmten Nennfrequenz f_nenn bereitstellt, sowie verteilte Netzimpedanzen Z_i. Angeschlossen an das Verteilnetz 1 sind der nicht-lineare Verbraucher 3 sowie ein weiterer Verbraucher 4, der hier durch ein Pumpenaggregat 5, 6 gebildet ist. Das Pumpenaggregat 5, 6 umfasst eine Pumpenelektronik 5 und eine Antriebseinheit 6 samt Last.
Ein elektrisches Schaltbild des Pumpenaggregats 5, 6 ist in 4 gegeben. Die Antriebseinheit 6 ist durch einen Elektromotor 6a und die Last durch eine von diesem angetriebene Pumpeneinheit 6b gegeben. Mit elektrischer Energie versorgt wird der Elektromotor 6a aus einem Frequenzumrichter 7, 8, 9, 10, der Teil der Motor- bzw. Pumpenelektronik 5 ist. Der Frequenzumrichter umfasst einen Netzumrichter 7 und einen Motorumrichter 9, die durch einen Gleichspannungszwischenkreis 8 mit Zwischenkreiskondensator mit einander verbunden sind. Der Netzumrichter 7 ist mit dem Verteilnetz 1 verbunden und speist den Zwischenkreis 8 mit der dem Verteilnetz entnommenen elektrischen Energie, indem die Wechselspannung U_Net4(t) des Verteilnetzes 1 in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Durch den Zwischenkreis 8 ist die vom Elektromotor 6a aufgenommene Leistung von der dem Verteilnetz 1 entnommenen Leistung entkoppelt und kann somit getrennt geregelt werden. In einer Ausführungsvariante ist der Netzumrichter ein Gleichrichter und der Motorumrichter ein Wechselrichter. Der Wechselrichter bildet aus der Gleichspannung des Zwischenkreises eine dreiphasige Wechselspannung für den Elektromotor 6a.
Eine Steuer- und Regelungseinheit 10, beispielsweise gebildet durch einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor (DSP) steuert den Motorumrichter 9, um beim Elektromotor eine bestimmte Drehzahl oder Leistung einzustellen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist das Pumpenaggregat eingerichtet, eine Abweichung der Netzfrequenz von der Nennfrequenz zu kompensieren. Dies erfolgt durch Anpassung der Wirkleistungsaufnahme. Wie in 5 veranschaulicht, wird hierzu zunächst von der Pumpenelektronik die Netzspannung U_Net4(t) gemessen und anschließend daraus die aktuelle Netzfrequenz f_Net bestimmt. In 5 folgt nun der optionale Schritt eines Vergleichs, ob die ermittelte Netzfrequenz f_Net mehr als zwei Prozent von der Nennfrequenz f_nenn nach unten abweicht. Ist dies nicht der Fall, erfolgt kein Eingriff in den Betrieb des Pumpenaggregats. Beträgt die Abweichung jedoch mehr als 2 Prozent, so wird die Leistung des Elektromotors 6a reduziert, indem die Drehzahl verringert wird. Sofern die Netzfrequenz mehr als zwei Prozent von der Nennfrequenz f_nenn nach oben abweichen sollte, weil beispielsweise zu viel Energie in das Verteilnetz 1 eingespeist wird, kann die Leistung respektive die Drehzahl auch erhöht werden.
Die Verringerung der Drehzahl erfolgt in Schritten Δn und wird kann so oft bzw. so lange wiederholt werden, bis eine Maximalgrenze respektive eine Minimaldrehzahl erreicht ist, die nicht unterschritten werden kann, ohne den Betrieb des Pumpenaggregats gravierend zu beeinträchtigen. Stabilisiert sich das Netz 1 wieder, muss die Drehzahl ferner auch wieder erhöht werden.
Durch die Verringerung bzw. Erhöhung der Leistungsaufnahme des Pumpenaggregats wird dem Verteilnetz 1 mehr bzw. weniger Leistung entzogen, so dass sich die Netzfrequenz stabilisieren kann. Diese Wirkung ist umso größer, je mehr derartig wirkende Pumpenaggregate 4 an das Verteilnetz 1 angeschlossen sind.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist das Pumpenaggregat 4 eingerichtet, eine Abweichung der Netzspannung U_Net(t) von der Nennspannung U_nenn (Amplitude oder Effektivwert) oder der reinen Sinusform zu kompensieren. Dies wird erreicht, in dem vom Pumpenaggregat 4 Blindleistung zur Verfügung gestellt wird. Um dies zu ermöglichen, muss der Netzumrichter 7 gesteuert und rückspeisefähig sein, da ein Stromfluss vom Zwischenkreis 8 in das Verteilnetz möglich sein muss, d. h. der von dem Pumpenaggregat 4 aufgenommene Strom I_P(t) auch negativ werden können muss. Mittels einem gesteuerten, rückspeisefähigen Umrichter kann dem Verteilnetz 1 ein Strom beliebiger Form entnommen oder aufgeprägt/eingespeist werden. Der Netzumrichter 7 kann hierzu beispielsweis durch einen Vier-Quadrantensteller gebildet sein, und wird dann von der Steuer- und Regelungseinheit 10 ebenfalls gesteuert bzw. geregelt, was im Falle eines reinen Gleichrichter nicht erforderlich wäre. Die Steuer- und Regelungseinheit 10 führt dann motorseitig im Wesentlichen eine Drehzahlregelung und netzseitig eine Stromregelung durch.
Das prinzipielle Verfahren zur Kompensation von Verzerrungen der Netzspannung ist in dem Ablaufdiagramm in 6 dargestellt. Es kann zusätzlich zur Stabilisierung der Netzfrequenz angewendet werden, da sich die entsprechenden Maßnahmen nicht gegenseitig beeinflussen. Die Netzspannung U_Net(t) wird mindestens über einen bestimmten Zeitraum gemessen und das daraus das Frequenzspektrum von der Steuer- und Regelungseinheit 10 ermittelt. Dieses sieht beispielsweise wie in 2 aus. Daraus werden anschließend die vorhandenen Oberwellen identifiziert, die eliminiert werden sollen. Im Falle der 2 sind dies Oberwellen der 3, 5, 7 und 9-fachen Grundfrequenz. Des Weiteren wird ermittelt, in welchem Verhältnis die 5., 7. und 9. Harmonische zum Anteil der 3. Harmonischen am Gesamtsignal steht. Im Falle der 2 ist der Anteil der 7. Harmonischen etwa halb so groß wie der Anteil der 3. Harmonischen. Entsprechend haben die 5. und 9. Harmonische einen Anteil von etwa 75% und 25% des Anteils der 3. Harmonischen. Hieraus kann ein Kompensationsstrom gebildet wie folgt gebildet werden: I_comp(t) = –[sin(3ωt) + 3/4·sin(5ωt) + 1/2·sin(7ωt) + 1/4·sin(9ωt)]
Dieser Kompensationsstrom I_comp(t) wird auf den Sollwert der Stromregelung des Netzumrichters 7 addiert, so dass er im Betrieb in das Verteilnetz 1 eingespeist/eingeprägt wird. Er führt entlang der Netzimpedanzen zu entsprechenden Spannungsabfällen, deren Frequenzen den Oberwellen entgegen gerichtet sind und diese somit kompensieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Blindleistung durch eine Verschiebung der Phasenlage des von dem Pumpenaggregat 4 aufgenommenen Stroms I_P(t) zur Netzspannung U_Net(t) mittels einer Leistungsfaktorregelung 11 erhöht werden.
Durch die Überwachung der Spannungs- und/oder Frequenzabweichungen im Verteilnetz und die erfindungsgemäße Stabilisierung des Netzes können mehr Verbraucher 3, 4 an das Verteilnetz 1 angeschlossen werden ohne die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenbruchs, auch Blackout genannt, zu erhöhen. Für mobile Generatoren, die beispielsweise in einem Katastrophenfall wie einer Überschwemmung, einem Erdbeben, einem Sturm usw. durch technisches Hilfspersonal verwendet werden, ergibt sich, dass mehr Pumpenaggregate an einem solchen Generator angeschlossen werden können, wodurch die Pumpkapazität in der Gesamtbetrachtung erhöht wird. In größeren Inselnetzen, beispielsweise ausschließlich oder überwiegend gespeist aus erneuerbaren Energiequellen, können die Pumpenaggregate verwendet werden, um den Leistungsverbrauch zu stabilisieren, was zu einem zuverlässigeren Verteilnetz mit weniger Zusammenbrüchen (Blackouts) führt.
In einem zukünftigen Szenario werden erneuerbare Energiequellen die Energieversorgung in elektrischen Verteilnetzen dominieren. Diese Quellen unterliegen jedoch einer hohen Leistungsfluktuation, weil beispielsweise Licht nur tagsüber als Energiequelle vorhanden ist, und Strom aus Windkraft nur dann erzeugt werden kann, wenn der Wind weht. Durch die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in vielen Pumpenaggregaten, die an das Verteilnetz angeschlossen sind, kann in erheblichem Maße zu einer Stabilisierung des Verteilnetzes beigetragen und die Gefahr eines Netzausfalls minimiert werden.

Claims

Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Verteilnetzes (1) mit einer Mehrzahl, insbesondere einer Vielzahl elektrischer Verbraucher (3, 4), von denen mindestens ein Verbraucher (4) eine drehzahlregelbare elektromotorische Antriebseinheit (5, 6), insbesondere ein Pumpenaggregat (5, 6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Antriebseinheit (5, 6) in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzfrequenz des Verteilnetzes (1) von einer Nennfrequenz und/oder in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzspannung (U_Net(t)) des Verteilnetzes (1) von einer Nennspannung oder der reinen Sinusform eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzfrequenz und/oder die Netzspannung von einer Motorelektronik (5) der Antriebseinheit (5, 6) selbständig ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzfrequenz und/oder die Netzspannung von einer oder der Motorelektronik (5) der Antriebseinheit (5, 6) kontinuierlich überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Abweichung von der Nennfrequenz die Wirkleistungsaufnahme oder die Drehzahl der Antriebseinheit (5, 6) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die Wirkleistungsaufnahme erst dann angepasst wird, wenn die Netzfrequenz um ein bestimmtes Maß von der Nennfrequenz abweicht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die Wirkleistungsaufnahme umso stärker angepasst wird, je höher die Abweichung von der Nennfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die Wirkleistungsaufnahme reduziert wird, wenn die Netzfrequenz kleiner als die Nennfrequenz ist, und erhöht wird, wenn die Netzfrequenz größer als die Nennfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die Leistungsaufnahme in einem vordefinierten Bereich, vorzugsweise zwischen maximal ±20%, verändert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Abweichung von der Nennspannung oder der reinen Sinusform die Blindleistung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenzanalyse der ermittelten Netzspannung zur Bestimmung von Oberwellen durchgeführt und die Blindleistung in Abhängigkeit der Oberwellen angepasst, insbesondere erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Blindleistung die Phasenverschiebung zwischen dem aufgenommenen Strom (I_P(t)) und der Netzspannung (U_Net(t)) vergrößert wird, insbesondere mittels einer Leistungsfaktorregelung (11).
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationsstrom mit Frequenzanteilen der vorhandenen Oberwellen in das Verteilnetz (1) eingeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistung erst dann angepasst wird, wenn die Netzspannung um ein bestimmtes Maß von der Nennspannung, und/oder ein aus der Summe der Oberwellen ermittelter Klirrfaktor um ein bestimmtes Maß von einem Grenzwert abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistung umso stärker angepasst wird, je höher die Abweichung der Netzspannung von der Nennspannung oder des Klirrfaktors von dem Grenzwert ist.
Drehzahlregelbare elektromotorische Antriebseinheit (5, 6) zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem Elektromotor (6a) zum Antreiben einer Last (6b), insbesondere einer Pumpeneinheit (6b), und mit einer Motorelektronik (5) zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors (6a), wobei der Elektromotor (6a) aus einem elektrischen Verteilnetz (1) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorelektronik (5) eingerichtet ist, die Leistung der Antriebseinheit (5, 6) in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzfrequenz des Verteilnetzes (1) von einer Nennfrequenz und/oder in Abhängigkeit einer Abweichung der Netzspannung (U_Net(t)) des Verteilnetzes (1) von einer Nennspannung oder der reinen Sinusform dynamisch anzupassen.
Pumpenaggregat, dadurch gekennzeichnet, dass es eine elektromotorische Antriebseinheit (5, 6) nach Anspruch 15 umfasst, wobei die Last eine Pumpeneinheit (6b) ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Pumpenelektronik (5) eines elektromotorischen Pumpenaggregats (5, 6), insbesondere einer Kreiselpumpe.
Elektrisches Verteilnetz (1) mit einer Mehrzahl, insbesondere einer Vielzahl elektrischer Verbraucher (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass von den Verbrauchern (3, 4) mindestens ein Verbraucher eine elektromotorische Antriebseinheit (5, 6) nach Anspruch 15 ist.
Elektrisches Verteilnetz nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Verbraucher (3, 4) elektrisch parallel betriebene elektromotorische Antriebseinheiten (5, 6) nach Anspruch 15 sind.