DE102017211356A1 - Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz und Verfahren zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz - Google Patents

Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz und Verfahren zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz Download PDF

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Abstract

Es wird eine Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz mit einer ersten Netzeinspeisung und einer zweiten Netzeinspeisung offenbart, wobei die Anordnung mindestens ein erstes Konvertersystem und ein zweites Konvertersystem umfasst, deren Zwischenkreise gekoppelt sind und die dadurch eine Netzkupplung bilden, wobei die erste Netzeinspeisung über eine Entkopplungsdrossel, eine Spannungsmessung und einen ersten Schalter mit einer Verteilung verbunden sind, wobei die zweite Netzeinspeisung über einen zweiten Schalter mit der Verteilung verbunden ist, und wobei parallel zum zweiten Schalter die Netzkupplung angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz sowie Verfahren zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz.
  • Spannungseinbrüche in Netzversorgungssystemen treten meist durch natürliche Ursachen mehr oder weniger regelmäßig auf. Beispielsweise können dies Wetter-Situationen, ein Vogelschlag oder andere äußere Einflüsse sein. Diese Ereignisse sind in der Regel kurzzeitig, typischerweise 50 ms bis einige 100 ms, und können zu Kurzunterbrechungen von typischerweise bis zu 300 ms oder längeren Unterbrechungen zu bis 3 Minuten oder länger führen.
  • Die Tiefe des Spannungseinbruchs kann zwischen 20% und 100% variieren, wobei der Spannungseinbruch einpolig oder mehrpolig auftreten kann. Diese auch sehr kurzen Einbrüche in der Spannungsversorgung führen häufig zu Störungen in Anlagen wie Fertigungs- oder Prozesseinrichtungen. Beispielsweise kann eine Robotersteuerung oder Ähnliches ausfallen, wodurch zum Teil erhebliche finanzielle Schäden entstehen können.
  • Daehler, Eichler, Gaupp und Linhofer: ABB Technik 1/2001 haben auf die Notwendigkeit einer hohen Stromversorgungsqualität für stabilere Fertigungsprozesse hingewiesen. Dabei verweisen sie beispielsweise auf große, schnelle unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), die aber typischerweise in erster Linie bei einem vollständigen Stromausfall einspringen. Für kurzzeitige, oft nur in einer Phase auftretende Störungen, beschreiben sie bekannte Spannungs-Stabilisatoren wie „Dynamic Voltage Restorer (DVR)“. Diese Spannungs-Stabilisatoren können unverzögert temporäre Spannungseinbrüche ausgleichen.
  • Zur kurzzeitigen Kompensation von Netzeinbrüchen können ebenfalls Energiespeicher mit Netzentkopplung, sogenannte „Line-Interactive UPS“, verwendet werden, die auch minutenlange Totalausfälle der Netzspannung überbrücken können.
  • Pal und Gupta: Electrical & Computer Engineering: An International Journal (ECIJ) Vol. 4, No. 2, June 2015, beschreiben allgemein, wie mittels bekannter Spannungs-Stabilisatoren wie Dynamic Voltage Restorern Spannungseinbrüche kompensiert werden können.
  • Die bekannten Dynamic Voltage Restorer Spannungs-Stabilisatoren sind in der Behandlung des Fehlertyps, der Dauer und in der Leistung eingeschränkt und können daher nur einen Anteil aller Fehler beherrschen. Wie groß dieser Anteil ist, hängt von den lokalen Gegebenheiten ab. Beispielsweise können Dynamic Voltage Restorer Spannungs-Stabilisatoren nur Spannungseinbrüche bis ca. 40% Restspannung kompensieren. Eine Unterbrechung der Spannungsversorgung kann nicht kompensiert werden. Ebenso kann eine Wirkleistung nicht übertragen werden.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches Spannungseinbrüche im Netz zuverlässig und kurzzeitig ausgleichen können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben. Die Aufgabe wird ebenso durch das Verfahren zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz gemäß Anspruch 7 oder 8 gelöst.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Unteranspruch 9 angegeben.
  • Die Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stomversorgungsnetz mit einer ersten Netzeinspeisung und einer zweiten Netzeinspeisung gemäß Anspruch 1 umfasst mindestens ein erstes Konvertersystem und ein zweites Konvertersystem, deren Zwischenkreise gekoppelt sind und die dadurch eine Netzkupplung bilden, wobei die erste Netzeinspeisung über eine Entkopplungsdrossel, eine Spannungsmessung und einen ersten Schalter mit einer Verteilung verbunden sind, wobei die zweite Netzeinspeisung über einen zweiten Schalter mit der Verteilung verbunden ist, und wobei parallel zum zweiten Schalter die Netzkupplung angeordnet ist.
  • Vorteilhaft hierbei ist, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung konventionelle Mittelspannungsschalter verwendet werden können, wodurch sich elektronische Mittelspannungsschalter vermeiden lassen. Bei Fehlern in einer der beiden Netzeinspeisungen kann die Leistung von einem in das andere Netzeinspeisesystem übertragen werden.
  • In einer Ausgestaltung sind das erste Konvertersystem und das zweite Konvertersystem jeweils als DC/AC-Konvertersystem ausgebildet.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist die Verteilung als Mittelspannungs-Verteilung ausgebildet.
  • In einer Ausgestaltung umfasst die Kopplung der Zwischenkreise Batteriesysteme. Vorteilhaft hierbei ist, dass bei einem Fehler in der ersten oder zweiten Netzeinspeisung die erfindungsgemäße Anordnung die Spannung stützen kann.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung ist in einem ersten Systemzustand der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist in einem zweiten Systemzustand der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz gemäß Anspruch 7 ist mit einer erfindungsgemäßen Anordnung ausgestattet, wobei sich die Anordnung ursprünglich im ersten Systemzustand befindet, mit den Schritten:
    • - Öffnen des ersten Schalters der ersten Netzeinspeisung bei Spannungseinbrüchen;
    • - Angleichen der Phase der Verteilung an die Phase der zweiten Netzeinspeisung; und
    • - Schließen des zweiten Schalters sobald die Phase der Verteilung und der zweiten Netzeinspeisung angeglichen sind, womit sich die Anordnung im zweiten Systemzustand befindet.
  • Zum Rücküberführen der Anordnung vom zweiten Systemzustand in den ersten Systemzustand nach Klärung des Spannungseinbruchs der ersten Netzeinspeisung dient das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei dieses Verfahren eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst, wobei sich die Anordnung ursprünglich im zweiten Systemzustand befindet, mit den Schritten:
    • - Öffnen des zweiten Schalters der zweiten Netzeinspeisung;
    • - Angleichen der Phase der Verteilung an die Phase der ersten Netzeinspeisung; und
    • - Schließen des ersten Schalters sobald die Phase der Verteilung und der ersten Netzeinspeisung angeglichen sind, womit sich die Anordnung im ersten Systemzustand befindet.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der beiden erfindungsgemäßen Verfahren werden zum Angleichen der Phase der Verteilung an die Phase der ersten Netzeinspeisung oder der zweiten Netzeinspeisung Messwerte der Spannungsmessung verwendet.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:
    • 1 Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz mit erstem Konvertersystem und zweitem Konvertersystem,
    • 2 Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz mit erstem Konvertersystem und zweitem Konvertersystem, sowie Batteriesystemen in der Kopplung der Zwischenkreise;
    • 3 Verfahren zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz zum Überführen vom ersten Systemzustand in den zweiten Systemzustand; und
    • 4 Verfahren nach Klärung von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz zum Überführen vom zweiten Systemzustand in den ersten Systemzustand.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 100 zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz dargestellt. Die Anordnung 100 umfasst eine erste Netzeinspeisung 201 und eine zweite Netzeinspeisung 202, desweiteren mindestens ein erstes Konvertersystem 301 und ein zweites Konvertersystem 302, deren Zwischenkreise gekoppelt sind und die dadurch eine Netzkupplung 300 bilden.
  • Die erste Netzeinspeisung 201 ist über eine Entkopplungsdrossel 400, eine Spannungsmessung 500 und einen ersten Schalter 601 mit einer Verteilung 800 verbunden. Die zweite Netzeinspeisung 202 ist über einen zweiten Schalter 602 mit der Verteilung 800 verbunden. Parallel zum zweiten Schalter 602 an der zweiten Netzeinspeisung 202 ist die Netzkupplung 300 angeordnet.
  • Zum Trennen der Netzkupplung 300 sind desweiteren ein erster Konverter-Schalter 351 und ein zweiter Konverter-Schalter 352 vorgesehen. Beispielsweise beim ersten Konvertersystem 301 ist dieses über einen ersten Konverter-Transformator 361 und den ersten Konverter-Schalter 351 mit der Verteilung 800 verbunden. Analog ist das zweite Konvertersystem 302 über einen zweiten Konverter-Transformator 362 und den zweiten Konverter-Schalter 352 mit der zweiten Netzeinspeisung 202 verbunden.
  • Bei dem ersten Konvertersystem 301 und dem zweiten Konvertersystem 302 kann es sich jeweils um ein DC/AC-Konvertersystem handeln. Die Verteilung 800 kann als Mittelspannungs-Verteilung ausgebildet sein.
  • In 2 ist die erfindungsgemäße Anordnung 100 aus 1 dargestellt, wobei die Kopplung der Zwischenkreise Batteriesysteme 371, 372 umfasst. Diese Batteriesysteme ermöglichen es, dass bei einem gleichzeitigen Ausfall der ersten Netzeinspeisung 201 und der zweiten Netzeinspeisung 202 die Spannung an der Verteilung 800 gestützt werden kann.
  • Die in den 1 und 2 dargestellte Anordnung 100 befindet sich in einem ersten Systemzustand, wenn der erste Schalter 601 geschlossen ist und der zweite Schalter 602 geöffnet ist. Dieser erste Systemzustand ist der Normalzustand. Im ersten Systemzustand ist die erste Netzeinspeisung 201 für die Energieversorgung der Verteilung 800 zuständig.
  • Für den Fall, dass die erste Netzeinspeisung 201 einbricht oder ausfällt, soll die zweite Netzeinspeisung 202 die Spannungsversorgung der Verteilung 800 übernehmen. In diesem zweiten Systemzustand ist der erste Schalter 601 geöffnet, wodurch die erste Netzeinspeisung 201 von der Verteilung 800 getrennt wird, und der zweite Schalter 602 geschlossen.
  • Der Übergang von erstem Systemzustand zu zweitem Systemzustand bzw. zurück vom zweiten Systemzustand zum ersten Systemzustand ist in den folgenden 3 und 4 näher erläutert.
  • In 3 ist ein Verfahren 900 zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz dargestellt, wobei das Verfahren 900 die erfindungsgemäße Anordnung 100 vom ersten Systemzustand in den zweiten Systemzustand überführt. Dazu umfasst das Verfahren 900 die Schritte:
    • - Öffnen 901 des ersten Schalters 601 der ersten Netzeinspeisung 201 bei Spannungseinbrüchen;
    • - Angleichen 901 der Phase der Verteilung 800 an die Phase der zweiten Netzeinspeisung 202; und
    • - Schließen 903 des zweiten Schalters 602 sobald sich die Phase der Verteilung 800 und der zweiten Netzeinspeisung 202 angeglichen sind, womit sich die Anordnung 100 im zweiten Systemzustand befindet.
  • In 4 ist ein Verfahren 950 nach Klärung von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz dargestellt, wobei dieses Verfahren 950 die erfindungsgemäße Anordnung 100 vom zweiten Systemzustand in den ersten Systemzustand rücküberführt. Dazu umfasst das Verfahren 950 die Schritte:
    • - Öffnen 901 des zweiten Schalters 602 der zweiten Netzeinspeisung 202;
    • - Angleichen 952 der Phase der Verteilung 800 an die Phase der ersten Netzeinspeisung 201; und
    • - Schließen 953 des ersten Schalters 601 sobald die Phase der Verteilung 800 und der ersten Netzeinspeisung 201 angeglichen sind, womit sich die Anordnung 100 im ersten Systemzustand befindet.
  • In den Schritten Angleichen 902, 952 der Phase der Verteilung 800 an die Phase der ersten Netzeinspeisung 201 oder der zweiten Netzeinspeisung 202 werden Messwerte der Spannungsmessung 500 verwendet.
  • Im Normalfall des ersten Systemzustandes taktet die Netzkupplung 300, überträgt aber keine Leistung und liefert auch keine Blindleistung. Wenn die Spannungsversorgung aus der ersten Netzeinspeisung 201 zusammenbrechen sollte, sorgt die Netzkupplung 300 durch Blind- und Wirkleistungseinspeisung für die Spannungserhaltung. In einem Fall des Zusammenbrechens der Spannungsversorgung öffnet der erste Schalter 601. Als nächstes dreht die Netzkupplung 300 die Phase auf der Lastseite, also der Verteilung 800, allmählich synchron zur Phase der zweiten Netzeinspeisung 202. Sobald die Phasen synchron sind, kann der zweite Schalter 602 geschlossen und die Netzkupplung 300 wieder in den Stand-by-Mode (d.h. takten am Netz) geschaltet werden.
  • Wenn am ersten Schalter 601 wieder eine stabile Spannung anliegt, kann der Umschaltvorgang zurück zur ersten Netzeinspeisung 201 vorgenommen werden. Dazu übernimmt die Netzkupplung 300 den Lastfluß von der zweiten Netzeinspeisung 202, der zweite Schalter 602 wird geöffnet, die Netzkupplung 300 dreht die lastseitige Phase synchron zur ersten Netzeinspeisung 201, der erste Schalter 601 wird geschlossen und die Netzkupplung 300 geht in Stand-by-Mode.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Pal und Gupta: Electrical & Computer Engineering: An International Journal (ECIJ) Vol. 4, No. 2, June 2015 [0006]

Claims (9)

  1. Anordnung (100) zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz mit einer ersten Netzeinspeisung (201) und einer zweiten Netzeinspeisung (202), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (100) mindestens ein erstes Konvertersystem (301) und ein zweites Konvertersystem (302) umfasst, deren Zwischenkreise gekoppelt sind und die dadurch eine Netzkupplung (300) bilden, wobei die erste Netzeinspeisung (201) über eine Entkopplungsdrossel (400), eine Spannungsmessung (500) und einen ersten Schalter (601) mit einer Verteilung (800) verbunden sind, wobei die zweite Netzeinspeisung (202) über einen zweiten Schalter (602) mit der Verteilung (800) verbunden ist, und wobei parallel zum zweiten Schalter (602) die Netzkupplung (300) angeordnet ist.
  2. Anordnung (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Konvertersystem (301) und das zweite Konvertersystem (302) jeweils als DC/AC-Konvertersystem ausgebildet sind.
  3. Anordnung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Verteilung (800) als Mittelspannungs-Verteilung ausgebildet ist.
  4. Anordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Kopplung der Zwischenkreise Batteriesysteme (371, 372) umfasst.
  5. Anordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einem ersten Systemzustand der erste Schalter (601) geschlossen ist und der zweite Schalter (602) geöffnet.
  6. Anordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einem zweiten Systemzustand der erste Schalter (601) geöffnet ist und der zweite Schalter (602) geschlossen.
  7. Verfahren (900) zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz mit einer Anordnung (100) gemäß einer der vorherigen Ansprüche, wobei sich die Anordnung (100) ursprünglich im ersten Systemzustand befindet, mit den Schritten: Öffnen (901) des ersten Schalters (601) der ersten Netzeinspeisung (201) bei Spannungseinbrüchen; Angleichen (902) der Phase der Verteilung (800) an die Phase der zweiten Netzeinspeisung (202); und Schließen (903) des zweiten Schalters (602) sobald die Phasen der Verteilung (800) und der zweiten Netzeinspeisung (202) angeglichen sind, womit sich die Anordnung (100) im zweiten Systemzustand befindet.
  8. Verfahren (950) zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz mit einer Anordnung (100) gemäß einer der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich die Anordnung (100) ursprünglich im zweiten Systemzustand befindet, mit den Schritten: Öffnen (951) des zweiten Schalters (602) der zweiten Netzeinspeisung (202); Angleichen (952) der Phase der Verteilung (800) an die Phase der ersten Netzeinspeisung (201); und Schließen (953) des ersten Schalters (601) sobald die Phasen der Verteilung (800) und der ersten Netzeinspeisung (201) angeglichen sind, womit sich die Anordnung (100) im ersten Systemzustand befindet.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei zum Angleichen (902; 952) der Phase der Verteilung (800) an die Phase der ersten Netzeinspeisung (201) oder der zweiten Netzeinspeisung (202) Messwerte der Spannungsmessung (500) verwendet werden.
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