DE19733516A1

DE19733516A1 - Verfahren zum Einspeisen von Blindleistung in ein Wechselspannungsnetz sowie Wechselrichter für ein solches Verfahren

Info

Publication number: DE19733516A1
Application number: DE19733516A
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof Stemmler
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 1999-02-11

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft ein Verfahren zum Einspei sen von Blindleistung in ein Wechselspannungsnetz, bei wel chem Verfahren für wenigstens eine Leitung des Netzes eine zum Strom in der Leitung phasenverschobene Kompensations spannung erzeugt und in die Leitung eingekoppelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Wechselrichter zum Einsatz in einem solchen Verfahren.

STAND DER TECHNIK

In elektrischen Energieübertragungssystemen wird die Vertei lung der Leistungsflüsse ohne Steuerungsmaßnahmen durch die Impedanzverhältnisse der in einem Netz zusammengeschalteten Übertragungsleitungen bestimmt. Durch den Einsatz von seri ellen Kompensationen kann durch die Injektion von Blindleis tung über eine serielle Spannungseinkopplung die elektrisch wirksame Impedanz einer Übertragungsleitung verändert wer den. Durch diese Maßnahme ändert sich die komplexe Span nungsdifferenz zwischen den Anschlußpunkten und damit der Leistungsfluß über die Leitung. Durch Serienkompensation können Leitungen gezielt be- oder entlastet und die gesamte Übertragungskapazität effektiver ausgenutzt werden. Dies beschränkt sich nicht auf Drehstromübertragungssysteme. Auch der Einsatz in 1-phasigen Wechselstromsystemen ist möglich.

Bei bestehenden Anlagenkonzeptionen kann man allgemein die thyristorgeschaltete bzw. thyristorgeregelte Serienkompensa tion und die statische Synchronkompensation unterscheiden. Die thyristorgeregelte Serienkompensation besteht aus mehre ren in Serie geschalteten Modulen, die in jede Phase einer Drehstromübertragungsleitung eingebaut sind. Aufgrund der einsetzbaren Thyristortechnik ist hier pro Modul eine Paral lelschaltung einer Kapazität und einer geregelten (thyristorgeschalteten) Induktivität erforderlich. Der Schutz dieser Parallelschaltung gegen Überlastung erfordert zusätz lich eine Komponente, die beispielhaft als Varistor ausgebil det sein kann. Der Nachteil dieser bekannten Anlagenkonfigu ration liegt im wesentlichen darin, daß die Halbleiterschal ter netzgeführt betrieben werden, wodurch sich ein sehr ein geschränkter Arbeitsbereich ergibt.

Statische Synchronkompensationen wirken elektrisch durch die Einkopplung einer Zusatzspannung (Kompensationsspannung) senkrecht zum Leitungsstrom (Phasenverschiebung von 90°). Die Einkopplung dieser Zusatzspannung erfordert einen Transforma tor, der in Serie zu einer zu kompensierenden Übertragungs leitung geschaltet wird. Der erforderliche Transformator zur Einkopplung der Zusatzspannung hat einen vergleichsweise ho hen Kostenanteil an den Gesamtkosten einer solchen Anlage.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Kompensationsverfah ren anzugeben, das einen deutlich reduzierten Schaltungsauf wand erfordert und dennoch flexibel in der Anwendung ist.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kompensationsspannung aus einer Gleichspannung mittels eines mit abschaltbaren Leistungshalb leitern in Brückenschaltung aufgebauten Wechselrichters er zeugt wird, und daß die Kompensationsspannung direkt in die Leitung seriell eingekoppelt wird. Durch Verwendung einer halbleiterbestückten Wechselrichterbrücke kann auf einfache Weise eine weitgehend sinusförmige Kompensationsspannung mit beliebiger vorbestimmter Phasenlage erzeugt werden. Durch die direkte serielle Einspeisung in die zu kompensierenden Lei tung kann auf zusätzliche Einkopplungselemente wie Transfor matoren oder dgl. verzichtet werden.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspan nungsquelle für den Wechselrichter wenigstens ein aufgelade ner Kondensator verwendet wird. Da die Kompensationseinrich tung im wesentlichen Blindleistung einkoppelt, steht mit dem Kondensator eine einfache und günstige Gleichspannungsquelle zur Verfügung.

In einer ersten bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungs form wird der wenigstens eine Kondensator über den Wechsel richter aus der Leitung des Wechselspannungsnetzes aufgela den. Dadurch entfallen zusätzliche Spannungsversorgungsein richtungen und die Kompensationsschaltung wird besonders ein fach.

Eine zweite bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Konden sator über einen separaten Stromrichter gespeist wird. Diese Bereitstellung der Gleichspannung in einer Art Gleichspan nungszwischenkreis ist dann von Vorteil, wenn die Kompensati onsschaltung neben der reinen Blind- auch noch Wirkleistung in die Leitung einkoppeln soll.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Wechsels pannungsnetz 3-phasig ausgebildet ist, und daß für jede der 3 Phasen in einer zugehörigen Leitung ein zugehöriger Wech selrichter zur Erzeugung und Einkopplung einer Kompensations spannung in Serie geschaltet ist. Hierdurch kann für jede Phase getrennt die gewünschte Kompensation durchgeführt wer den.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Wechselrichter jeweils zwei Halbbrücken umfas sen, und daß die Halbbrücken nach Maßgabe eines sinusförmi gen Modulationssignals pulsdauermoduliert angesteuert werden. Durch die Pulsdauermodulation kann mit geringem Aufwand die vom Wechselrichter erzeugte Ausgangsspannung einem sinusför migen Verlauf stärker angenähert werden, wodurch der Ober schwingungsgehalt verringert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform die Wechselrichter als 2-Punkt-Brücken ausge bildet sind, und die einzelnen Halbbrücken durch Anwendung entsprechender Trägersignale zeitversetzt getaktet werden, oder wenn die Wechselrichter als N-Punkt-Brücken (N ≧ 3) aus gebildet sind, und daß die einzelnen Halbbrücken durch An wendung entsprechender Trägersignale derart zeitversetzt ge taktet werden, daß sich die resultierende Kompensationsspan nung aus einer Überlagerung mehrerer zeitversetzt getakteter pulsdauermodulierter Kompensationsteilspannungen ergibt.

Eine weitere Verringerung der Oberschwingungsbelastung läßt sich erreichen, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Aus führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Lei tung des Wechselspannungsnetzes mehrere Wechselrichter zur Erzeugung und Einkopplung einer Kompensationsspannung in Se rie und/oder parallel geschaltet sind, die Wechselrichter je weils pulsdauermoduliert angesteuert werden, und die Puls dauermodulation in den einzelnen Wechselrichtern mit zeitver setzter Taktung erfolgt. Zugleich ergibt sich mit der Serie schaltung mehrerer Wechselrichter ein vergrößerter Betriebs bereich hinsichtlich der Spannung, und mit der Parallelschal tung ein vergrößerter Betriebsbereich hinsichtlich des Stro mes.

Eine weitere Verringerung der Oberschwingungen ergibt sich, wenn gemäß einer anderen Ausführungsform am Ausgang der Wechselrichter wenigstens eine Filterschaltung angeordnet ist, die insbesondere eine zum Wechselrichter in Serie ge schaltete Induktivität und wenigstens einen zu der Serie schaltung aus Wechselrichter und der wenigstens einen Induk tivität parallel geschalteten Kondensator umfaßt. Besonders einfach ist es, wenn das Wechselspannungsnetz einen Netz transformator mit Streuinduktivitäten umfaßt, und die Streu induktivität des Netztransformators als Teil der Filterschal tung verwendet wird.

Der Arbeitsbereich der Kompensationsschaltung kann erweitert werden, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungs form der Erfindung die Wechselrichter jeweils mit wenigstens einem Kondensator und/oder mit einer Induktivität in Serie geschaltet sind.

Besonders günstig hinsichtlich der Anforderungen an die Iso lation der Kompensationsanlage ist es, wenn gemäß einer be vorzugten Ausführungsform der Erfindung das Wechselspannungs netz einen Netztransformator mit einem auf niedrigem Poten tial liegenden neutralen Punkt aufweist, und die Kompensati onsspannung am neutralen Punkt eingekoppelt wird.

Ist das Wechselspannungsnetz ein 3-phasiges Netz, und ist in nerhalb des Netzes ein 3-phasiger Netztransformator vorgese hen, welcher als neutralen Punkt einen Sternpunkt aufweist, wird in jede der zum Sternpunkt führenden Leitungen eine ent sprechende Kompensationsspannung eingekoppelt. Dies kann ei nerseits dadurch geschehen, daß in jede der zum Sternpunkt führenden Leitungen jeweils ein Wechselrichter zur Erzeugung und Einkopplung einer Kompensationsspannung in Serie geschal tet ist. Dies kann andererseits aber auch dadurch geschehen, daß die zum Sternpunkt führenden Leitungen an die Ausgänge eines 3-phasigen Wechselrichters angeschlossen sind. Der 3-phasige Wechselrichter hat dabei den besonderen Vorteil, daß die Kondensatoren auf der Gleichspannungsseite bei gleicher Kompensationsspannung kleiner gewählt werden können, weil hier keine pulsierende Leistung zu berücksichtigen ist.

Ist das Wechselspannungsnetz 1-phasig, und ist innerhalb des Netzes ein 1-phasiger Netztransformator vorgesehen, der zu mindest auf einer Seite eine Nullpunktsschaltung mit einem Nullpunkt als neutralen Punkt aufweist, wird in jede der zum Nullpunkt führenden Leitungen eine entsprechende Kompensati onsspannung eingekoppelt. Dies geschieht entweder dadurch, daß in jede der zum Nullpunkt führenden Leitungen ein Wech selrichter zur Erzeugung und Einkopplung einer Kompensati onsspannung in Serie geschaltet ist, oder dadurch, daß die zum Nullpunkt führenden Leitungen an die Ausgänge eines 1-phasigen Wechselrichters angeschlossen sind.

Der erfindungsgemäße Wechselrichter für das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter als N-Punkt-Brücke (N ≧ 2) ausgebildet ist.

Eine für kleinere Spannungen (z. B. ein 13-kV-Netz) geeignete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Halbbrücken nur ein Leistungshalbleiter pro Brückenzweig angeordnet ist.

Eine für größere Spannungen (z. B. ein 400-kV-Netz) geeignete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Halbbrücken mehrere in Serie geschaltete Leistungshalbleiter pro Brückenzweig an geordnet sind.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausfüh rungsform werden als abschaltbare Leistungshalbleiter GTOs verwendet, welche hart angesteuert werden. Unter harter An steuerung wird dabei eine Ansteuerung verstanden, wie sie z. B. in den Druckschriften EP-A1-0 489 945 oder WO-93/09600 oder ABB Technik 5 (1996), S. 14-20 beschrieben worden sind.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Kompensationsschal tung nach der Erfindung mit einem zu einer Lei tung in Serie geschalteten Wechselrichter;

Fig. 2 den prinzipiellen inneren Aufbau des Wechselrich ters aus Fig. 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel in Form einer 2-Punkt-Brücke mit halbleiterbestückten Umschaltern und zusätz lichem Saugkreis auf der Gleichspannungsseite;

Fig. 3 ein Beispiel für den inneren Aufbau eines Um schalters nach Fig. 2 mit einem Leistungshalblei ter (rückwärtsleitenden GTO) pro Brückenzweig;

Fig. 4 ein Beispiel für den inneren Aufbau eines Um schalters nach Fig. 2 mit einer Serieschaltung von mehreren Leistungshalbleitern (rückwärtsleitenden GTOs) pro Brückenzweig;

Fig. 5 ein beispielhaftes Schema der auftretenden Span nungsformen bei einer pulsdauermodulierten An steuerung der 2-Punkt-Brücke nach Fig. 2;

Fig. 6 den prinzipiellen inneren Aufbau des Wechselrich ters aus Fig. 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel in Form einer 3-Punkt-Brücke mit halbleiterbestückten Umschaltern;

Fig. 7 ein Beispiel für den inneren Aufbau eines Um schalters nach Fig. 6 mit einem Leistungshalblei ter (rückwärtsleitenden GTO) pro Brückenzweig;

Fig. 8 ein Beispiel für den inneren Aufbau eines Um schalters nach Fig. 6 mit einer Serieschaltung von mehreren Leistungshalbleitern (rückwärtsleitenden GTOs) pro Brückenzweig;

Fig. 9 ein beispielhaftes Schema der auftretenden Span nungsformen bei einer pulsdauermodulierten An steuerung der 3-Punkt-Brücke nach Fig. 6;

Fig. 10 die Grundschaltung eines nach der Erfindung in allen drei Phasen kompensierten Drehstromnetzes;

Fig. 11 die Grundschaltung eines nach der Erfindung kom pensierten 1-phasigen Wechselspannungsnetzes;

Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel einer Kompensationsschal tung nach der Erfindung mit einer am Ausgang des Wechselrichters angeordneten Filterschaltung aus zwei seriellen Induktivitäten und einem parallel geschalteten Kondensator zur Filterung der Ober schwingungen;

Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel einer Kompensationsschal tung nach der Erfindung gemäß Fig. 12 mit einem zusätzlichen in Serie geschalteten Kondensator zur Erweiterung des Betriebsbereiches;

Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel einer Kompensationsschal tung nach der Erfindung gemäß Fig. 13 mit einer zusätzlich in Serie geschalteten Induktivität zur Erweiterung des Betriebsbereiches, wobei wahl weise die zusätzliche Induktivität oder der zu sätzliche Kondensator durch Schalter eingesetzt werden können;

Fig. 15 das Prinzipschaltbild einer Serie- und/oder Par allelschaltung von mehreren Wechselrichtern (mit zeitversetzter Taktung) und lokalen Filterschal tungen zur Erhöhung des Arbeitsbereiches und Ver ringerung des Oberschwingungsgehalts;

Fig. 16 eine zu Fig. 15 entsprechende Serienschaltung mit konzentrierter Filterschaltung und zusätzlicher Induktivität zur Erweiterung des Betriebsberei ches;

Fig. 17 eine bevorzugte Kompensation nach der Erfindung auf der Niederpotentialseite (Sternpunkt) eines Drehstromtransformators;

Fig. 18 eine bevorzugte Kompensation nach der Erfindung auf der Niederpotentialseite (am Nullpunkt) eines 1-phasigen Netztransformators;

Fig. 19 eine Vereinfachung der Anordnung nach Fig. 17, bei welcher die verschiedenen Wechselrichter durch eine 3-phasige Brücke ersetzt sind;

Fig. 20 eine Vereinfachung der Anordnung nach Fig. 18, bei welcher die verschiedenen Wechselrichter durch eine 1-phasige Brücke ersetzt sind; und

Fig. 21 die Verwendung der Streuinduktivität eines Netz tranformators als Induktivität für den Wechsel richter.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild einer Kompensationsschal tung nach der Erfindung in seiner einfachsten Form wiederge geben. Innerhalb einer 1-phasigen oder 3-phasigen Wechsel spannungsnetzes wird zur Kompensation eine Leitung 10 ausge wählt. Die Leitung 10 wird aufgetrennt und ein Wechselrichter 11 wird direkt mit der Leitung 10 in Serie geschaltet. Aus einer Gleichspannung, die aus einem Kondensator C1 stammt, wird mittels des Wechselrichters 11 eine Wechselspannung er zeugt, die als Kompensationsspannung U_comp direkt in die Lei tung 10 eingekoppelt wird. Der Wechselrichter 11 enthält ge mäß Fig. 2 eine 2-Punkt-Brückenschaltung aus zwei Halb brücken 12 und 13, deren Funktion durch einen Umschalter U1 bzw. U2 charakterisiert werden kann. Der Wechselrichter 11 ist mit den Ausgängen seiner Halbbrücken 12, 13 direkt an die Leitung 10 angeschlossen. Durch geeignete Ansteuerung der Um schalter U1,2 wird die am Kondensator C1 anliegende Kondensa torspannung wahlweise als positive oder negative Spannung auf die Leitung 10 gegeben.

Die erzeugte Kompensationsspannung U_comp ist idealerweise eine sinusförmige Wechselspannung, die dem Wechselstrom auf der Leitung 10 um 90° voreilt oder um 90° nacheilt. Dazu werden Strom und Spannung auf der Leitung gemessen und aus den Messignalen in einer Steuerelektronik die Ansteuerimpulse für die Umschalter U1,2 abgeleitet. Dies geschieht vorzugsweise gemäß Fig. 5 dadurch, daß ein sinusförmiges Modulati onssignal U_M der gewünschten Phasenlage erzeugt und in an sich bekannter Weise mit zwei dreieckförmigen Trägersignalen U_C1, U_C2 verglichen wird. Aus den Schnittpunkten der Signale werden Schaltbefehle für die Umschalter U1,2 abgeleitet, die zu dem in Fig. 5 unten dargestellten pulsdauermodulierten Kompensationsspannung U_comp führen. Die Arbeitsweise des Wech selrichters 11 führt dazu, daß der Kondensator C1 wechsel weise und mit doppelter Netzfrequenz Leistung aus dem Netz aufnimmt und Leistung an das Netz abgibt, wobei die zeitliche gemittelte Leistung Null ist. Zur Dämpfung dieser Pulsationen kann dem Kondensator C1 ein Saugkreis 43 parallel geschaltet werden, der aus einer Serienschaltung einer Induktivität L4 und einem Kondensator C10 besteht und auf die doppelte Netz frequenz abgestimmt ist.

Die Umschalter U1,2 werden durch abschaltbare Leistungshalb leiter in der in Fig. 3 und 4 dargestellten Weise realisiert. Als bewährte Bauelemente der Leistungselektronik werden für die abschaltbaren Leistungshalbleiter GTOs (Gate-Turn-Off- Thyristoren), insbesondere rückwärtsleitende GTOs, einge setzt. Es können aber auch IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder andere abschaltbare Bauelemente verwendet werden. Der Spannungsbereich derartiger Leistungshalbleiter ist begrenzt. Bei kleineren Netzspannungen (z. B. 13 kV) wer den in den Brückenzweigen gemäß Fig. 1 einzelne Leistungs halbleiter S1 und S2 eingesetzt. Bei hohen Netzspannungen (z. B. 400 kV) werden in den Brückenzweigen gemäß Fig. 4 Se rienschaltungen von vielen (n) Leistungshalbleitern S11, . . ., S1n bzw. S21, . . ., S2n eingesetzt. Werden GTOs in Serien schaltung verwendet, müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um das gleichzeitige Schalten der einzelnen GTO-Ele mente sicherzustellen. Durch die Anwendung einer "harten" An steuerung ist eine exakte Ansteuerung mehrere in Serie ge schalteter GTOs möglich. Zu den charakteristischen Eigen schaften und der schaltungstechnische Realisierung der "harten" Ansteuerung sei auf die eingangs genannten Druck schriften aus dem Stand der Technik verwiesen.

Neben der bereits beschriebenen 2-Punkt-Brücke kann mit Vor teil aber auch eine 3-Punkt-Brücke oder noch allgemeiner eine N-Punkt-Brücke zur Erzeugung der Kompensationsspannung U_comp herangezogen werden. Die 3-Punkt-Brücke umfaßt gemäß Fig. 6 zwei Umschalter U3 und U4 mit jeweils 3 Umschaltpunkten in zwei Halbbrücken 14 und 15, die wahlweise die beiden Enden oder den Mittelabgriff einer Serieschaltung aus zwei Konden satoren C2, C3 mit dem jeweiligen Brückenausgang verbinden. Auf diese Weise werden zwei Kompensationsteilspannungen U₁₂ und U₃₄ erzeugt, die sich am Ausgang des Wechselrichters 11 zu der Kompensationsspannung U_comp addieren. Der eine Vorteil der 3-Punkt-Brücke liegt darin, daß zur Erzeugung derselben Kompensationsspannung statt eines großen zwei kleinere Kon densatoren genommen werden können. Der andere Vorteil liegt darin, daß bei einer zeitversetzten Taktung der auch hier vorzugsweise angewandten Pulsdauermodulation, wie sie in Fig. 9 durch die phasenverschobenen Trägersignale U_C1, . ., U_C4 ange deutet ist, der Oberschwingungsanteil für die aus den (zeitversetzt getakteten) Kompensationsteilspannungen U₁₂ und U₃₄ zusammengesetzte Kompensationsspannung U_comp deutlich verringert werden kann. Die N-Punkt-Brücke ergibt sich, wenn analog zur 3-Punkt-Brücke Umschalter mit N Umschaltpunkten in den Halbbrücken eingesetzt werden.

Der innere Aufbau der Umschalter U3,4 aus Fig. 6 hat vorzugs weise die in Fig. 7 und 8 dargestellte Form. Bei kleineren Netzspannungen sind in den Brückenzweigen gemäß Fig. 7 ein zelne Leistungshalbleiter S3, . ., S6 in Form von rückwärtslei tenden GTOs mit entsprechenden Dioden D1 und D2 verschaltet. Bei hohen Netzspannungen treten an die Stelle der einzelnen Leistungshalbleiter jeweils Serienschaltungen aus n Lei stungshalbleitern S31, . ., S3n bis S61, . ., S6n, die im Falle von GTOs wiederum "hart" angesteuert sind. Anstelle der GTOs kön nen aber wiederum auch andere abschaltbare Leistungshalblei ter verwendet werden.

In den bisherigen Erläuterungen wurde die Kompensation nur im Bezug auf eine einzelne Leitung 10 betrachtet und erläutert. Handelt es sich bei dem Wechselspannungsnetz um ein Dreh stromnetz, wird vorzugsweise gemäß Fig. 10 je eine zu einer Phase gehörende Leitung 16, 17 und 18 kompensiert, indem in diese Leitung ein zugehöriger Wechselrichter 19, 20 und 21 der beschriebenen Art in Serie geschaltet wird. Beim 1-phasi gen Netz, braucht gemäß Fig. 11 nur in eine der beiden Lei tungen 10, 22 ein Wechselrichter 11 eingeschleift zu werden. Es ist aber auch denkbar, in beide Leitungen 10, 22 jeweils einen Wechselrichter 11, 11' einzuschalten.

Wie bereits oben erwähnt worden ist, kann durch eine geeig nete pulsdauermodulierte Ansteuerung der Brückenzweige insbe sondere auch im Fall der 3-Punkt-Brücke ein reduzierter Ober schwingungsanteil in der Kompensationsspannung U_comp erreicht werden. Zusätzlich können aber noch weitere Maßnahmen zur Reduktion ergriffen werden. Eine solche Maßnahme besteht beispielsweise darin, am Ausgang des Wechselrichters 11 ge mäß Fig. 12 eine Filterschaltung anzuordnen, die aus einem oder zwei in Serie liegenden Induktivitäten L1, L2 und einem parallel geschalteten Kondensator C4 besteht, und welche die Oberschwingungsanteile herausfiltert bzw. schwächt. Die Di mensionierung des Kondensators C4 richtet sich dabei nach den Taktfrequenzen der Pulsdauermodulation. Werden bei einer 3- Punkt-Brücke gemäß Fig. 6 zur Erzeugung der PDM-Ansteuersig nale gemäß Fig. 9 vier um 90° phasenverschobene Trägersi gnale U_C1, . ., U_C4 mit der Frequenz F eingesetzt, ergibt sich in der Kompensationsspannung U_comp eine viermal höhere resultie rende Pulsfrequenz 4F. Der Filterkondensator C4 wird dann ei nerseits groß genug gewählt, um die an ihm anliegende Spannung in einer guten Sinusform zu halten, und ist anderer seits aber klein genug, um bei der Grundfrequenz nur einen kleinen Strom zu ziehen. Als Induktivität für eine Filter schaltung kann gemäß Fig. 21 mit Vorteil aber auch die Streuinduktivität L10 eines mit Streuinduktivitäten L10, L11 behafteten benachbarten Netztransformators 46 herangezogen werden.

Der Betriebsbereich, in welchem eine Kompensation möglich ist, wird bei dem Wechselrichter 11 maßgeblich durch die Amplitude der Kompensationsspannung U_comp bestimmt, die sich ihrerseits im wesentlichen nach der Spannung an dem Kondensa tor C1 (bei der 2-Punkt-Brücke) bzw. an dem Kondensatoren C2 und C3 (bei der 3-Punkt-Brücke) richtet. Eine Erweiterung des Betriebsbereiches (auf der kapazitiven Seite) kann ohne Än derung des Wechselrichters 11 bzw. ohne Änderung bei den Schaltelementen dadurch erfolgen, daß dem Wechselrichter 11 gemäß Fig. 13 ausgangsseitig ein Kondensator C5 in Serie ge schaltet wird. Zur Erweiterung des Betriebsbereiches (auf der induktiven Seite) kann anstelle des Kondensators eine Induk tivität (L5 in Fig. 14) in Serie geschaltet werden. Die Be reichserweiterung läßt sich gemäß Fig. 14 wahlweise und um schaltbar gestalten, wenn Kondensator C5 und Induktivität L5 in Serie liegend durch entsprechende Schalter 44, 45 über brückbar sind. Auch in Fall der Fig. 21 ist zur Erweiterung des Betriebsbereiches die Serienschaltung mit einem zusätzli chen Kondensator C15 möglich.

Zusätzlich zu einer Änderung des Betriebsbereiches des Wech selrichters, die durch eine Änderung im Wechselrichter oder in seiner Beschaltung bewirkt werden kann, läßt sich der er reichbare Kompensationsgrad auch dadurch erhöhen, daß gemäß Fig. 15 in einer Leitung 10 des Netzes mehrere (gleichartige) Wechselrichter 11, 23 und 24 in Serie und oder parallel (Wechselrichter 11, 11') geschaltet werden. Die von den ein zelnen Wechselrichtern erzeugten Kompensationsspannungen ad dieren sich dann zu einer resultierenden, größeren Kompen sationsspannung. Besonders vorteilhaft ist bei einer solchen Serienschaltung, daß durch eine untereinander zeitversetzte Taktung der einzelnen Wechselrichter 11, 11', 23 und 24 der Oberschwingungsanteil noch weiter reduziert werden kann. Die einzelnen Wechselrichter 11, 11', 23, 24 der Serienschaltung können für sich jeweils mit einer Filterschaltung aus Induk tivitäten L6, . . ., L9 und Kondensatoren C11, . . ., C13 versehen sein. Ein zusätzlicher Kondensator C14 erweitert auch hier den Betriebsbereich. Eine andere Möglichkeit besteht gemäß Fig. 16 darin, die Serienschaltung insgesamt mit einer Zu satzbeschaltung aus konzentrierten Elementen für die Filter schaltung (Induktivität L3 und Kondensator C6) auszustatten. Der Serien-Kondensator C7 entspricht in seiner Funktion dem Kondensator C14 aus Fig. 15.

Besondere Vorteile bringt die transformatorlose Serienkompen sation gemäß der Erfindung bei einer Anwendung im Zusammen hang mit Netztransformatoren des Wechselspannungsnetzes, die eine Niederpotentialseite mit einem neutralen Punkt aufwei sen. Ist - wie in Fig. 17 gezeigt - das Netz ein Drehstrom netz und der Netztransformator 25 ein Drehstromtransformator in Sternschaltung (Primärseite 26, Sekundärseite 27), kann die Kompensation auf der Niederpotentialseite am neutralen Punkt (Sternpunkt 31) des Netztransformators 25 erfolgen. Dazu werden mit den zum Sternpunkt 31 führenden Leitungen 28, 29, 30 jeweils kompensierende Wechselrichter 32, 33 und 34 in Serie geschaltet. Durch die Anordnung der Wechselrichter auf der Niederpotentialseite läßt sich der Isolationsgrad stark herabsetzen, was zu einer Vereinfachung und Verbilligung der Anlage führt.

Bei einem 1-phasigen Netz mit einem 1-phasigen Netztransfor mator 35 (Fig. 18; Primärseite 36, Sekundärseite 38) mit ei nem Nullpunkt als neutralem Punkt wird eine entsprechende An ordnung der Kompensationsschaltung auf niedrigem Potential dadurch verwirklicht, daß Wechselrichter 41, 42 mit den zum Nullpunkt 39 führenden Leitungen 38, 40 in Serie geschaltet werden. Es ist aber auch denkbar, anstelle der beiden Wech selrichter 41, 42 nur einen Wechselrichter (41 oder 42) zu verwenden.

Die Kompensationsanordnungen nach Fig. 17 und 18, die jeweils mehrere Wechselrichter 32, . . ., 34 bzw. 41, 42 umfassen, können durch geschicktes Zusammenfassen der Wechselrichter in einer Brücke vereinfacht werden. Die aus Fig. 17 hervorgehende ver einfachte Anordnung ist in Fig. 19 wiedergegeben. Die Leitun gen 28, 29 und 30 werden in diesem Fall an die Ausgänge eines 3-phasigen Wechselrichters angeschlossen, die über gesteuerte Umschalter US, U6 und U7 gemäß Fig. 3, 4 wahlweise mit den Enden einer Serieschaltung aus zwei aufgeladenen Kondensato ren C6 und C7 verbunden werden, deren Mittelabgriff an den Sternpunkt 31 angeschlossen ist. Es ist aber auch denkbar, die Schaltungen aus Fig. 17 und 19 miteinander zu kombinieren, d. h., bei der Schaltung aus Fig. 19 in die Leitungen 28, 29 und 30 zusätzlich einzelne Wechselrichter (wie die Wechsel richter 32, 33 und 34 in Fig. 17) in Serie zu schalten, um die Flexibilität der Kompensationsschaltung zu erhöhen.

Die analoge Vereinfachung für die Anordnung nach Fig. 18 ist in Fig. 20 wiedergegeben. Hier werden die Leitungen 38, 40 über Umschalter U8, U9 wahlweise mit den Enden einer Serie schaltung aus geladenen Kondensatoren C8 und C9 verbunden, deren Mittelabgriff an den Nullpunkt 39 angeschlossen ist. In den in Fig. 17 bis 20 dargestellten Fällen kann der neutrale Punkt (Sternpunkt 31 bzw. Nullpunkt 39) geerdet sein (gestrichelt eingezeichnet). Eine solche Erdung ist aber nicht zwingend notwendig.

Geben die Kompensationseinrichtungen gemäß der Erfindung reine Blindleistung ab, werden die Kondensatoren C1, . . ., C3 bzw. C6, . . ., C9, welche die Gleichspannung für den Wechselrich ter bereitstellen, vorteilhafterweise durch geeignete Steue rung des Wechselrichters direkt aus der Netzleitung geladen. Es entfallen dadurch zusätzliche Verbindungen von anderen Teilen des Netzes zu den Kondensatoren. Es kann aber auch wünschenswert sein, neben der Blindleistung auch Wirkleistung in die zu kompensierende Leitung einzuspeisen. In diesem Falle ist es denkbar, die Kondensatoren C1, . . ., C3 bzw. C6, . . ., C9 durch eine geeignete (separate) Gleichspannungsver sorgung (z. B. einen Stromrichter) aufzuladen bzw. nachzula den.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine stark verein fachte und sehr flexibel einsetzbare Kompensation von Blind leistung für ein Wechselspannungsnetz.

Bezugszeichenliste

10

;

16

, . . .,

18

;

22

Leitung

11

,

11

' Wechselrichter

12

, . . .,

15

Halbbrücke

19

, . . .,

21

Wechselrichter

23

,

24

Wechselrichter

25

,

35

Netztransformator

26

,

36

Primärseite

27

,

37

Sekundärseite

28

, . . .,

30

Leitung

31

Sternpunkt

38

,

40

Leitung

39

Nullpunkt

41

,

42

Wechselrichter

43

Saugkreis

44

,

45

Schalter

46

Netztransformator
C1, . . ., C15 Kondensator
D1,2 Diode
L1, . . ., L11 Induktivität
S1, . . ., S6 Leistungshalbleiter (abschaltbar)
S11, . . ., S6n Leistungshalbleiter (abschaltbar)
U1, . . ., U9 Umschalter
U_M

Modulationssignal (sinusförmig)
U_C1

, . . ., U_C4

Trägersignal (dreieckförmig)
U₁₂

, U₃₄

Kompensationsteilspannung
U_comp

Kompensationsspannung

Claims

1. Verfahren zum Einspeisen von Blindleistung in ein Wechselspannungsnetz, bei welchem Verfahren für wenigstens eine Leitung (10; 16, . . ., 18; 28, . . ., 30; 38, 40) des Netzes eine zum Strom in der Leitung (10; 16, . . ., 18; 28, . . ., 30; 38, 40) phasenverschobene Kompensationsspannung (U_comp) erzeugt und in die Leitung (10; 16, . . ., 18; 28, . . ., 30; 38, 40) eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannung (U_comp) aus einer Gleichspannung mittels eines mit abschaltba ren Leistungshalbleitern (S1, . . ., S6; S11, . . ., S6n) in Brücken schaltung aufgebauten Wechselrichters (11; 19, . . ., 21; 41, 42) erzeugt wird, und daß die Kompensationsspannung (U_comp) di rekt in die Leitung (10; 16, . . ., 18; 28, . . ., 30; 38, 40) seriell eingekoppelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspannungsquelle für den Wechselrichter (11; 19, . . ., 21; 41, 42) wenigstens ein aufgeladener Kondensator (C1, . ., C9) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kondensator (C1, . . ., C9) über den Wechselrichter (11; 19, . . ., 21; 41, 42) aus der Leitung (10; 16, . . ., 18; 28, . . ., 30) des Wechselspannungsnetzes aufgeladen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kondensator (C1, . . ., C9) über eine se parate Gleichspannungsversorgung aufgeladen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungsnetz 3-phasig ausge bildet ist, und daß für jede der 3 Phasen in einer zugehöri gen Leitung (16, . . ., 18) ein zugehöriger Wechselrichter (19, . . ., 21) zur Erzeugung und Einkopplung einer Kompensations spannung (U_comp) in Serie geschaltet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (11; 19, . . ., 21; 41, 42) jeweils zwei Halbbrücken (12, 13 bzw. 14, 15) umfassen, und daß die Halbbrücken (12, 13 bzw. 14, 15) nach Maßgabe eines sinusförmigen Modulationssignals (U_M) pulsdauermodu liert angesteuert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (11; 19, . . ., 21; 41, 42) als 2-Punkt- Brücken ausgebildet sind, und daß die einzelnen Halbbrücken (12, 13) durch Anwendung entsprechender Trägersignale (U_C1, U_C2) zeitversetzt getaktet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (11; 19, . . ., 21; 41, 42) als N-Punkt- Brücken (N ≧ 3) ausgebildet sind, und daß die einzelnen Halbbrücken (14, 15) durch Anwendung entsprechender Trägersi gnale (U_C1, . . ., U_C4) derart zeitversetzt getaktet werden, daß sich die resultierende Kompensationsspannung (U_comp) aus einer Überlagerung mehrerer zeitversetzt getakteter pulsdauermodu lierter Kompensationsteilspannungen (U₁₂, U₃₄) ergibt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer Leitung (10) des Wechselspannungsnetzes mehrere Wechselrichter (11, 11', 23, 24) zur Erzeugung und Einkopplung einer Kompensationsspannung (U_comp) in Serie und/oder parallel geschaltet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (11, 11', 23, 24) jeweils pulsdauer moduliert angesteuert werden, und daß die Pulsdauermodula tion in den einzelnen Wechselrichtern (11, 11', 23, 24) mit zeitversetzter Taktung erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Wechselrichter (11; 11', 19, . . ., 21; 41, 42) eine Filterschaltung (L1, . . ., L3; L6, . . ., L10, C4, C6, C11, . . ., C13) angeordnet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung wenigstens eine zum Wechselrichter (11; 11', 19, . . ., 21; 41, 42) in Serie geschaltete Induktivität (L1, . . ., L3; L6, . . ., L9) und wenigstens einen zu der Serieschal tung aus Wechselrichter (11; 11', 19, . . ., 21; 41, 42) und der wenigstens einen Induktivität (L1, . . ., L3; L6, . . ., L9) parallel geschalteten Kondensator (C4, C6, C11, . . ., C13) umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungsnetz einen Netztransformator (46) mit Streuinduktivitäten (L10, L11) umfaßt, und die Streuin duktivität (L10, L11) des Netztransformators (46) als Teil der Filterschaltung verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (11; 19, . . ., 21; 41, 42) zur Erweiterung des Arbeitsbereiches jeweils mit wenig stens einem Kondensator (C5, C7) und/oder mit einer Indukti vität (L1, L2, L3) in Serie geschaltet sind.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungsnetz einen Netztransformator (25, 35) mit einem auf niedrigem Potential liegenden neutralen Punkt (31, 39) aufweist, und daß die Kompensationsspannung (U_comp) am neutralen Punkt (31, 39) eingekoppelt wird.

16. Verfahren nach einem Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Wechselspannungsnetz ein 3-phasiges Netz ist, daß innerhalb des Netzes ein 3-phasiger Netztransfor mator (25) vorgesehen ist, welcher als neutralen Punkt einen Sternpunkt (31) aufweist, und daß in jede der zum Sternpunkt (31) führenden Leitungen (28, . . ., 30) eine entsprechende Kom pensationsspannung (U_comp) eingekoppelt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in jede der zum Sternpunkt (31) führenden Leitungen (28, . . ., 30) jeweils ein Wechselrichter (32, . . ., 34) zur Erzeu gung und Einkopplung einer Kompensationsspannung (U_comp) in Serie geschaltet ist, und/oder daß die zum Sternpunkt (31) führenden Leitungen (28, . . ., 30) an die Ausgänge eines 3-phasi gen Wechselrichters (U5, . . ., U7; C6,7) angeschlossen sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Sternpunkt (31) führenden Leitungen (28, . . ., 30) an die Ausgänge eines 3-phasigen Wechselrichters (US, . . ., U7; C6, 7) angeschlossen sind, und daß der 3-phasige Wechselrich ter als N-Punkt-Brücke (N ≧ 2) ausgebildet ist.

19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungsnetz 1-phasig ist, daß innerhalb des Netzes ein 1-phasiger Netztransformator (35) vorgesehen ist, der zumindest auf einer Seite eine Nullpunktsschaltung mit einem Nullpunkt (39) als neutralen Punkt aufweist, und daß in jede der zum Nullpunkt (39) führenden Leitungen (38, 40) eine entsprechende Kompensationsspannung (U_comp) einge koppelt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß in jede der zum Nullpunkt (39) führenden Leitungen (38, 40) ein Wechselrichter (41, 42) zur Erzeugung und Einkopplung einer Kompensationsspannung (U_comp) in Serie geschaltet ist.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Nullpunkt (39) führenden Leitungen (38, 40) an die Ausgänge eines 1-phasigen Wechselrichters (U8, 9; C8, 9) angeschlossen sind.

22. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem wenigstens einen Kondensator (C1, . . ., C9) ein Saug kreis (43) parallelgeschaltet ist.

23. Wechselrichter für das Verfahren nach einem der An sprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel richter (11; 19, . . ., 21; 41, 42) als N-Punkt-Brücke (N ≧ 2) ausgebildet ist.

24. Wechselrichter nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich net, daß in dem Wechselrichter nur ein Leistungshalbleiter (S1, S2; S3, . . ., S6) pro Brückenzweig angeordnet ist.

25. Wechselrichter nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich net, daß in dem Wechselrichter mehrere in Serie geschaltete Leistungshalbleiter (S11, . . ., S1n; . . .; S61, . . ., S6n) pro Brücken zweig angeordnet sind.

26. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß als abschaltbare Leistungshalb leiter IGBTs verwendet werden.

27. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß als abschaltbare Leistungshalb leiter GTOs verwendet werden.

28. Wechselrichter nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich net, daß in dem Wechselrichter mehrere in Serie geschaltete GTOs pro Brückenzweig angeordnet sind, und daß die in Serie geschalteten GTOs hart angesteuert werden.