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Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung für ein Energienetz sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Filtervorrichtung.
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Filtervorrichtungen für Energienetze, beispielsweise passive Filterkreise, können dazu eingesetzt werden, unerwünschte Anteile, etwa Oberschwingungen oder Verzerrungen in der Netzspannung oder im Netzstrom, zu verringern. Die Filtervorrichtung weist dabei eine Resonanzfrequenz auf, welche beispielsweise näherungsweise einer Abstimmfrequenz, also einer Frequenz von zu dämpfenden Schwingungsanteilen, entspricht. Eine Leistungsaufnahme der Filtervorrichtung ist typischerweise umso größer, je näher Resonanz- und Abstimmfrequenz beieinanderliegen.
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Bekannte passive Filterkreise können aufgrund der festgelegten Resonanzfrequenz schlecht regelbar sein, da die Filterkreise mit dem Energienetz interagieren können und in der Regel für die konkreten Netz- und Lastverhältnisse ausgelegt sind. Dies gilt insbesondere für mehrstufige Filterkreise zur Reduzierung von Oberschwingungen mit mehreren verschiedenen Frequenzen. Die Anlagen haben in der Regel eine große, insbesondere unnötige oder sogar schädliche Grundschwingungsblindleistung aufgrund der verwendeten Drehstromleistungskondensatoren mit großen Kapazitäten, die benötigt werden, um die maximalen Filterströme tragen zu können.
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Die Saugwirkung der bekannten Filterkreise ist nicht variabel, sondern auf eine maximale Oberschwingungsbelastung ausgelegt. Somit wird in der Regel mehr Oberschwingungsstrom abgesaugt als nötig wäre um die Grenzwerte einer zulässigen Spannungsverzerrung einzuhalten. Dies führt zu unnötigen Verlusten und beschleunigter Alterung der Filterkreise.
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Gegebenenfalls kann ein Filterkreis aufgrund von Veränderungen im Energienetz umgebenden Netz oder alterungsbedingten Änderungen der Resonanzfrequenz sogar zur Verstärkung der eigentlich zu dämpfenden Oberschwingungen führen. Dies führt zu ebenfalls zu Verlusten, beschleunigter Alterung und schlimmstenfalls kommt zur irreversiblen Beschädigung des Filterkreises.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur Filterung für ein Energienetz anzugeben, welches die Lebensdauer des Filterkreises verlängert.
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Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, eine virtuelle, also scheinbare, Lastkenngröße ausgehend von einer Netzkenngröße sowie einer Filterkenngröße zu bestimmen. Abhängig von der Lastkenngröße kann der Filterkreis stärker verstimmt werden, insbesondere durch Zuschalten einer kapazitiven oder induktiven Komponente oder einer Widerstandskomponente.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Filtervorrichtung für ein Energienetz angegeben. Die Filtervorrichtung beinhaltet eine Steuereinheit sowie eine Filterstufe mit einer ersten induktiven Komponente und einer damit in Reihe geschalteten ersten kapazitiven Komponente. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, wenigstens eine elektrische Netzkenngröße des Energienetzes und wenigstens eine elektrische Filterkenngröße der Filtervorrichtung zu erfassen, insbesondere kontinuierlich zu erfassen oder zu überwachen, basierend auf der wenigstens einen Netzkenngröße und der wenigstens einen Filterkenngröße wenigstens eine elektrische Lastkenngröße zu bestimmen und, abhängig von der wenigstens einen Lastkenngröße, eine Resonanzfrequenz der Filterstufe zu verändern.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Filtervorrichtung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Resonanzfrequenz derart zu verändern, dass dadurch eine Verstimmung der Filterstufe vergrößert wird.
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Dadurch kann beispielsweise eine Alterung der Filterstufe, insbesondere der kapazitiven Komponente, kompensiert werden. Durch Alterung der kapazitiven Komponente kann ihre Kapazität reduziert werden, was zu einem Anstieg der Resonanzfrequenz führt, also insbesondere zu einer Annäherung der Resonanzfrequenz an die Abstimmfrequenz. Durch Reduktion der Resonanzfrequenz kann dieser Vorgang zumindest teilweise ausgeglichen werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filtervorrichtung außerdem eine zweite kapazitive Komponente, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die zweite kapazitive Komponente der Filterstufe zuzuschalten, insbesondere parallel zur ersten kapazitiven Komponente, oder von der Filterstufe zu trennen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filtervorrichtung eine zweite induktive Komponente, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die zweite induktive Komponente der Filterstufe zuzuschalten oder von der Filterstufe zu trennen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filterstufe eine regelbare Drossel. Die erste und die zweite induktive Komponente sind Bestandteile, beispielsweise Wicklungsteile, der regelbaren Drossel. Insbesondere entspricht die erste induktive Komponente einer Stammwicklung der regelbaren Drossel und die zweite induktive Komponente einer Regelwicklung oder einem Teil einer Regelwicklung der regelbaren Drossel.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die regelbare Drossel eine Schaltanordnung zum unterbrechungslosen Zu- oder Abschalten der Regelwicklung oder des Teils der Regelwicklung zu beziehungsweise von der Stammwicklung.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Schalteranordnung ein oder mehrere Schütze, einen oder mehrere Leistungsschalter und/oder einen Laststufenschalter.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filtervorrichtung außerdem eine Widerstandskomponente, insbesondere einen ohmschen Widerstand, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Widerstandskomponente der Filterstufe zuzuschalten, insbesondere in Reihe zu der ersten induktiven Komponente, oder von der Filterstufe zu trennen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Zuschalten oder Trennen der zweiten kapazitiven Komponente, der zweiten induktiven Komponente und/oder der Widerstandskomponente unterbrechungsfrei, also ohne dass die Filterstufe dazu vom Energienetz getrennt wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Netzkenngröße eine Amplitude oder eine Phase einer Netzspannung, insbesondere eines Anteils der Netzspannung, welcher einer der Filterstufe zugeordneten Oberschwingung entspricht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Netzkenngröße eine Amplitude oder eine Phase eines Netzstromes, insbesondere eines Anteils des Netzstromes, welcher einer der Filterstufe zugeordneten Oberschwingung entspricht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Filterkenngröße eine Amplitude oder eine Phase eines Filterstroms oder einer Filterspannung.
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Bei dem Filterstrom handelt es sich um einen Strom, der über eine Komponente der Filtervorrichtung fließt, beispielsweise eine kapazitive Komponenten, eine oder mehrere der induktiven Komponenten oder die Widerstandskomponente. Bei der Filterspannung handelt es sich um eine Spannung, die über einer Komponente der Filtervorrichtung abfällt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die wenigstens eine Lastkenngröße basierend auf einem Amplitudenvergleich und/oder einem Phasenvergleich zwischen der wenigstens einen Netzkenngröße und der wenigstens einen Filterkenngröße zu bestimmen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Lastkenngröße eine Amplitude oder eine Phase eines scheinbaren Laststroms oder einer scheinbaren Lastspannung. Der scheinbare Laststrom und/oder die scheinbare Lastspannung können dabei von der Steuereinheit aus dem Amplituden- und/oder Phasenvergleich bestimmt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, durch das Verändern der Resonanzfrequenz eine Verstimmung der Filterstufe zu vergrößern, insbesondere wenn eine Amplitude des Filterstroms größer ist als eine Amplitude des scheinbaren Laststroms.
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Ist dies nämlich der Fall, so bewirkt die Filterstufe eine effektive Verstärkung derjenigen Oberschwingungen, die eigentlich durch sie gedämpft werden sollte. Durch die stärkere Verstimmung wird dies wenigstens zum Teil kompensiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, durch das Verändern der Resonanzfrequenz eine Verstimmung der Filterstufe zu verringern, insbesondere wenn ein vorbestimmter Grenzwert für einen Oberschwingungsanteil überschritten wird.
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In einem solchen Fall reicht die Filterwirkung nicht aus. Durch Verringerung der Verstimmung, also Verschärfung der Abstimmung, und entsprechende Erhöhung der Resonanzfrequenz, wird dies zumindest zum Teil kompensiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Lastkenngröße eine Gesamtkapazität der Filterstufe.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, durch das Verändern der Resonanzfrequenz eine Verstimmung der Filterstufe zu vergrößern wenn ein vorbestimmter Grenzwert für die Gesamtkapazität der Filterstufe unterschritten wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filtervorrichtung eine oder mehrere weitere Filterstufen, die analog zu der Filterstufe ausgestaltet sind. Insbesondere weist jede weitere Filterstufe eine weitere erste induktive Komponente und eine damit in Reihe geschaltete weitere erste kapazitive Komponente auf. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, abhängig von der wenigstens einen Lastkenngröße eine Resonanzfrequenz der weiteren Filterstufe zu verändern, wobei die Veränderung der Resonanzfrequenz der Filterstufe gleichzeitig oder synchronisiert mit der Veränderung der Resonanzfrequenz der weiteren Filterstufe erfolgt.
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Die Filterstufe und jede der weiteren Filterstufen sind jeweils unterschiedlichen Oberschwingungen zugeordnet. Entsprechend sind die Resonanzfrequenzen der Filterstufe und die der weiteren Filterstufen jeweils unterschiedlich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Energienetz mindestens zwei Phasen auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die induktive Komponente und die erste kapazitive Komponente zwischen dem Energienetz, insbesondere einer Phase des Energienetzes, und einem Sternpunkt der Filtervorrichtung in Reihe geschaltet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die induktive Komponente und die erste kapazitive Komponente zwischen zwei der mindestens zwei Phasen des Energienetzes geschaltet.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer Filtervorrichtung für ein Energienetz angegeben. Die Filtervorrichtung umfasst eine Filterstufe mit einer ersten induktiven Komponente und einer damit in Reihe geschalteten ersten kapazitiven Komponente. Insbesondere ist die Filtervorrichtung als Filtervorrichtung gemäß dem verbesserten Konzept ausgebildet. Das Verfahren beinhaltet ein Erfassen wenigstens einer elektrischen Netzkenngröße des Energienetzes und wenigstens einer elektrischen Filterkenngröße der Filtervorrichtung, ein Bestimmen wenigstens einer elektrischen Lastkenngröße basierend auf der wenigstens einen Netzkenngröße und der wenigstens einen Filterkenngröße und ein Verändern einer Resonanzfrequenz der Filterstufe abhängig von der wenigstens einen Lastkenngröße.
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Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Filtervorrichtung. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich Filtervorrichtung beschriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens entsprechend implementiert sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen
- 1a eine beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept;
- 1b eine beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept;
- 1c eine beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept; und
- 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept.
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1a zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept mit einer Filterstufe.
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Die Filterstufe umfasst eine induktive Komponente L1, welche über einen Schalter S11 mit einer ersten Phase P1 eines Energienetzes E verbunden ist, welches beispielsweise weitere Phasen P2, P3 aufweisen kann. Die Filterstufe beziehungsweise ihre Komponenten sind derart ausgelegt, dass sie eine vorbestimmte Oberschwingung des Energienetzes E dämpfen kann. Die Filterstufe umfasst außerdem eine erste kapazitive Komponente C11, welche in Reihe zwischen der induktiven Komponente L1 und einem Sternpunkt SP, also einem Neutralpunkt, der Filtervorrichtung angeordnet ist. Alternativ kann die erste kapazitive Komponente C11 in Reihe zwischen der induktiven Komponente L1 und einer der weiteren Phasen P2, P3 geschaltet sein. Des Weiteren umfasst die Filterstufe eine zweite kapazitive Komponente C12, welche über einen Schalter S12 parallel zu der ersten kapazitiven Komponente C11 schaltbar ist.
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Die Filtervorrichtung weist außerdem eine Steuereinheit S auf, welche mit dem Energienetz E und der Filterstufe über entsprechende Messeinheiten (nicht gezeigt) gekoppelt ist um beispielsweise einen Netzstrom IN und einen Filterstrom IF zu erfassen oder zu überwachen. Optional kann die Steuereinheit S eine Netzspannung UN erfassen oder überwachen.
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Im Normalbetrieb ist der Schalter S12 beispielsweise geöffnet und die zweite kapazitive Komponente C12 daher von der Filterstufe getrennt. Eine Resonanzfrequenz der Filterstufe ist dann gegeben durch die Induktivität der induktiven Komponente L1 und die Kapazität der ersten kapazitiven Komponente C11. Diese sind derart dimensioniert, dass die Filterstufe im Vergleich zu der zu dämpfenden Oberschwingung leicht verstimmt ist, insbesondere etwas niedriger ist als die Frequenz der Oberschwingung, also die Abstimmfrequenz. Dadurch wird eine zu hohe Leistungsaufnahme der Filterstufe und damit eine entsprechende Überlastung der induktiven oder kapazitiven Komponenten der Filterstufe vermieden.
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Im Laufe des Betriebs kann sich der Abstand zwischen Resonanzfrequenz und Abstimmfrequenz verändern. Dies kann beispielsweise durch alterungsbedingte Änderungen der Kapazität der ersten kapazitiven Komponente C11 und/oder der Induktivität der induktiven Komponente L1 versursacht werden. Eine andere Ursache können Schwankungen im Energienetz E sein. Dadurch kann es zu einer erhöhten Leistungsaufnahme der Filterstufe und schließlich auch zu einer unerwünschten Verstärkung der Oberschwingung anstelle der erwünschten Dämpfung kommen.
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Die Steuereinheit S kann im Betrieb der Filtervorrichtung die Ströme IN, IF insbesondere kontinuierlich erfassen und basierend darauf einen resultierenden virtuellen oder scheinbaren Laststrom bestimmen. Insbesondere wertet die Steuereinheit S dazu die Amplituden und/oder Phasen der Ströme IN, IF aus, insbesondere derjenigen Frequenzanteile der Ströme IN, IF, die der zu dämpfenden Oberschwingung entsprechen.
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Die Steuereinheit S kann abhängig von dem scheinbaren Laststrom den Schalter S12 betätigen und so die zweite kapazitive Komponente C12 der Filterstufe zuschalten. Insbesondere kann dies erfolgen, wenn der scheinbare Laststrom einen Schwellwert übersteigt, insbesondere wenn die Amplitude des scheinbaren Laststroms die Amplitude des Filterstroms IF übersteigt. Letzteres indiziert beispielsweise eine Verstärkung der Oberschwingung.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit Saus der Netzspannung UN und dem Filterstrom IF eine Kapazität der Filterstufe bestimmen. Die Steuereinheit S kann abhängig von der Kapazität der Filterstufe den Schalter S12 betätigen und so die zweite kapazitive Komponente C12 der Filterstufe zuschalten. Insbesondere kann dies erfolgen, wenn die Kapazität einen Schwellwert unterschreitet. Letzteres indiziert beispielsweise eine signifikante Alterung oder eine Beschädigung der kapazitiven Komponente C11.
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Durch die resultierende Vergrößerung der Gesamtkapazität der Filterstufe und eine entsprechende Verkleinerung der Resonanzfrequenz wird die Verstimmung der Filterstufe gegen die Abstimmfrequenz wieder erhöht, die Leistungsaufnahme der Filterstufe verringert und die Verstärkung der Oberschwingung weicht gegebenenfalls wieder einer Dämpfung wie erwünscht.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Resonanzfrequenz auch durch Zuschalten einer zweiten induktiven Komponente (siehe 1c) und/oder eines Widerstands (siehe 1 b) zu der Filterstufe verkleinert werden.
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Liegt die Bedingung zur Zuschaltung der zweiten kapazitiven Komponente C12 nicht mehr vor, kann die Steuereinheit S den Schalter S12 öffnen um die zweite kapazitive Komponente C12 von der Filterstufe zu trennen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die zweite kapazitive Komponente C12 von der Filterstufe getrennt werden, wenn die Filterwirkung der Filterstufe nicht ausreicht um eine ausreichend starke Dämpfung der Oberschwingung zu erzielen.
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1 b zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform der 1a basiert.
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An die Stelle der zweiten kapazitiven Komponente C12 tritt in 1b ein ohmscher Widerstand, welcher über den Schalter S12 parallel zu der induktiven Komponente L1 zugeschaltet werden kann.
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Darüber hinaus ist Funktionalität der Vorrichtung analog zu der bezüglich 1a beschriebenen.
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1c zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform der 1a basiert.
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Statt wie in 1a die zweite kapazitive Komponente C12 über den Schalter S12 zuzuschalten oder zu trennen, kann hier die Induktivität der induktiven Komponente L1 unterbrechungslos verändert werden. Dazu ist die induktive Komponente L1 als regelbare Drossel ausgeführt.
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Darüber hinaus ist Funktionalität der Vorrichtung analog zu der bezüglich 1a beschriebenen.
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2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform der 1a basiert.
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Die induktive Komponente L1 und die kapazitiven Komponenten C11, C12 stellen eine erste Gruppe der Filterstufe (im Folgenden „erste Filterstufe“) dar. Im Beispiel der 2 weist die erste Filterstufe zudem eine zweite Gruppe mit einer induktiven Komponente L2 sowie zwei kapazitiven Komponenten C21, C22 und einen Schalter S22 auf, welche genau wie die Komponenten der ersten Gruppe zwischen der ersten Phase P1 und dem Sternpunkt SP geschaltet sind. Dasselbe gilt für eine dritte Gruppe der ersten Filterstufe mit induktiver Komponente L3, zwei kapazitiven Komponenten C31, C32 und einem Schalter S32.
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Die erste Filterstufe kann beispielsweise einen Schalter S13 aufweisen, welcher zwischen induktiver Komponente L1 und kapazitiven Komponenten C11, C12 mit der ersten Gruppe und zwischen induktiver Komponente L2 und kapazitiven Komponenten C21, C22 mit der zweiten Gruppe verbunden ist. Die erste Filterstufe kann beispielsweise einen Schalter S23 aufweisen, welcher zwischen induktiver Komponente L2 und kapazitiven Komponenten C21, C22 mit der zweiten Gruppe und zwischen induktiver Komponente L3 und kapazitiven Komponenten C31, C32 mit der zweiten Gruppe verbunden ist.
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Durch die zweite und dritte Gruppe können die Gesamtkapazität und die Gesamtinduktivität und somit die Resonanzfrequenz der ersten Filterstufe entsprechend dem konkreten Anwendungsfall angepasst werden.
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Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Schalter S22 und S32 gleichzeitig mit dem Schalter S12 zu betätigen. Auf die Funktionalität der ersten Filterstufe wird daher auf die Ausführungen zu 1a verwiesen.
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Die Filtervorrichtung kann beispielsweise eine zweite Filterstufe aufweisen. Die zweite Filterstufe weist eine erste Gruppe von induktiven und kapazitiven Komponenten sowie Schaltern L4, C41, C42, S42, S43 und eine zweite Gruppe von induktiven und kapazitiven Komponenten sowie Schaltern L5, C51, C52, S52 auf. Die beiden Gruppen der zweiten Filterstufe sind strukturell identisch zu der ersten und zweiten Gruppe der ersten Filterstufe aufgebaut. Die einzelnen Kapazitäts- und Induktivitätswerte in der zweiten Filterstufe können jedoch verschieden von denen der ersten Filterstufe sein um eine andere Oberschwingung zu dämpfen.
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Die Steuereinheit kann die Schalter S42, S52 analog zu den entsprechenden Schaltern der ersten Filterstufe betätigen. Auf die Funktionalität der zweiten Filterstufe wird daher auf die Ausführungen zu 1a verwiesen.
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Die Filtervorrichtung kann beispielsweise eine dritte Filterstufe aufweisen. Die dritte Filterstufe weist eine Gruppe von induktiven und kapazitiven Komponenten sowie Schaltern L6, C61, C62, S62 auf. Die Gruppe der dritten Filterstufe ist strukturell identisch zu der ersten Gruppe der ersten Filterstufe aufgebaut. Die einzelnen Kapazitäts- und Induktivitätswerte in der dritten Filterstufe können jedoch verschieden von denen der ersten Filterstufe sein um wiederum eine andere Oberschwingung zu dämpfen.
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Die Steuereinheit kann den Schalter S62 analog zu den entsprechenden Schaltern der ersten Filterstufe betätigen. Auf die Funktionalität der dritten Filterstufe wird daher auf die Ausführungen zu 1a verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- E
- Energienetz
- S
- Steuereinheit
- P1, P2, P3
- Phasen
- S11, S12, S13, S21, S22, S23 S31, S32, S41, S42, S43, S51, S52, S61, S62
- Schalter
- L1, L2, L3, L4, L5, L6
- induktive Komponenten
- C11, C12, C21, C22, C31, C32
- kapazitive Komponenten
- C41, C42, C51, C52, C61, C62
-
- R1
- Widerstand
- IN
- Netzstrom
- UN
- Netzspannung
- IF
- Filterstrom
