DE19814767A1

DE19814767A1 - Leistungselektronische Schaltungsanordnung zur Kompensation von Netzstörungen und Netzspannungseinbrüchen

Info

Publication number: DE19814767A1
Application number: DE1998114767
Authority: DE
Inventors: Peter Daehler; Horst Gruening
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 1999-10-07
Also published as: SE516148C2; US6178076B1; CN1239344A; SE9901161L; SE9901161D0

Abstract

Bei einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung zur Kompensation von Netzeinbrüchen und Netzstörungen wird eine zweite Hilfsspannungsquelle vorgesehen, deren Spannung niedriger gewählt wird als diejenige der ersten Hilfsspannungsquelle. Die zweite Hilfsspannungsquelle kann mit Hilfe eines Schalters an den Einspeisestromrichter gekoppelt werden. Die erfindungsgemäße Schaltung kann somit in zwei unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten: Wird die erste Hilfsspannungsquelle an den Einspeisestromrichter angekoppelt, steht eine genügend große Spannung zur Verfügung, um Netzunter- oder -einbrüche zu kompensieren. Bei weniger starken Störungen hingegen wird die zweite, niedrigere Hilfsspannungsquelle an den Einspeisestromrichter angekoppelt, und Netzstörungen können demzufolge ohne große Schaltverluste kompensiert werden. Die Schaltung arbeitet dann im Regelbetrieb, und die Schaltverluste der Halbleiterschalter des Einspeisestromrichters können auf einem vertretbaren, typischerweise hinter die Durchlaßverluste zurückfallenden Niveau gehalten werden. Durch Taktung, insbesondere pulsdauermodulierte Taktung, der Schalter im Regelbetrieb wird eine weitere Möglichkeit der Spannungsbeeinflussung erreicht.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des er sten Anspruchs.

Stand der Technik

Solche Schaltungsanordnungen, auch Dynamic Voltage Restorer (DVR) genannt, speisen zur Kompensation von Netzspannungseinbrüchen und Netzstörungen eine Fremdspannung in Serie mit dem gestörten Spannungsversorgungsnetz ein. Da durch sind an der Last nur unwesentliche Veränderungen bzw. Störungen zu regi strieren. Zu diesem Zweck muss der Einspeisestromrichter hochdynamisch reagie ren, was eine hohe Taktfrequenz der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters erfordert. Gleiches bedingt die Forderung, das netzseitig zum Einspeisetransforma tor geschaltete Filter möglichst klein zu halten. Bei herkömmlichen Anlagen für klei ne und mittlere Leistungen können IGBTs und eine vergleichsweise geringe Zwi schenkreisspannung eingesetzt werden. Beim Betrieb mit den geforderten Taktfre quenzen überwiegen bei solchen Konfigurationen typischerweise die Durchlassver luste der Elemente derart, dass keine weiteren Massnahmen zu einer signifikanten Reduktion der Gesamtverluste ergriffen werden können. Bei höheren Leistungen wird es einerseits zunehmend schwieriger, IGBTs einzusetzen, andererseits müsste die Zwischenkreisspannung erhöht werden, damit die auftretenden Ströme weiter hin gut beherrscht werden können. Konventionelle GTOs haben zudem den Nach teil, dass sie nicht schnell genug geschaltet werden können. Ganz allgemein zeigen Silizium-Halbleiterschalter bei höheren Spannungsbelastungen eine Erhöhung der Schaltverluste. Dies gilt für IGBTs wie auch für GTOs. Moderne hart angesteuerte GCTs (Gate commutated thyristors) können zudem mit niedrigeren Durchlassverlu sten als IGBTs hergestellt werden. Das Verhältnis von Durchlassverlusten und Schaltverlusten verschiebt sich damit für Hochleistungsanwendungen, insbesondere auch im Hinblick auf den Einsatz von GCTs, somit stark auf die Seite der Schaltver luste.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Kompensation von Netzstörungen und Netzeinbrüchen anzugeben, die auch für Hochleistungsanwen dungen wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Insbesondere sollen die Schaltverlu ste im Betrieb gering gehalten werden können, und der Gesamtwirkungsgrad der Anlage und die Belastbarkeit der Halbleiter soll erhöht werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, eine zweite Hilfsspannungsquelle vorzusehen, deren Spannung niedriger gewählt wird als diejenige der ersten Hilfsspannungsquelle. Die zweite Hilfsspannungsquelle kann mit Hilfe eines Schalters an den Einspeisestrom richter angekoppelt werden. Die erfindungsgemässe Schaltung kann somit in zwei unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten: Wird die erste Hilfsspannungsquelle an den Einspeisestromrichter angekoppelt, steht eine genügend grosse Spannung zur Verfügung, um Netzunter- oder überspannungen zu kompensieren. Bei weniger starken Störungen hingegen wird die zweite, niedrigere Hilfsspannungsquelle an den Einspeisestromrichter angekoppelt, und Netzstörungen können demzufolge ohne grosse Schaltverluste kompensiert werden. Die Schaltung arbeitet dann im Re gelbetrieb, und die Schaltverluste der Halbleiterschalter des Einspeisestromrichter können auf einem vertretbaren, typischerweise unter dem der Durchlassverluste zu liegenden Niveau gehalten werden. Durch Taktung, insbesondere pulsdauermodu lierte Taktung der Schalter im Regelbetrieb wird eine weitere Möglichkeit der Span nungsbeeinflussung erreicht.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden ab hängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Fi guren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit 1 ist ein drei phasiges Spannungsversorgungsnetz bezeichnet. Die erfindungsgemässe Schal tungsanordnung speist zur Kompensation kurzer Netzspannungseinbrüche bzw. zur Kompensation von Netzstörungen eine Fremdspannung in das Netz ein, so dass an der Last 13 nur unwesentliche Veränderungen bzw. Störungen zu registrieren sind. Zu diesem Zweck umfasst die Schaltungsanordnung einen Einspeisestromrich ter 2, der über einen Einspeisetransformator 3 an das Netz 1 angekoppelt ist. Der Einspeisestromrichter 2 umfasst insbesondere zwei Teilstromrichter, die je dreipha sig ausgebildet sind und aus Abschaltthyristoren mit antiparalleler Diode aufgebaut sind. Bei den Abschaltthyristoren handelt es sich vorzugsweise um hart ansteuerba re GTOs oder GCTs (Gate Commutated Thyristors). Der Einspeisestromrichter 2 wird gespeist von einer ersten Hilfsspannungsquelle 4. Ausserdem ist eine zweite Hilfsspannungsquelle 6 vorgesehen. Die Hilfsspannungsquellen 4 und 6 bestehen jeweils zum Beispiel aus einem Kondensator, der von einem Gleichrichter 8 gespeist wird. Der Gleichrichter 8 bezieht seine Speisespannung entweder vom Netz 1, um die Kondensatoren der Hilfsspannungsquellen 4 und 6 im Normalbetrieb aufzula den, oder von einem Hilfsnetz 10, das im Falle von längerdauernden Netzunterbrü chen die Last 13 unterbrechungsfrei speisen könnte. Zum Umschalten zwischen Netz 1 und Hilfsnetz 10 ist ein Umschalter 12 vorgesehen. Zur Spannungsanpassung kann den Gleichrichtern 8 auch ein Transformator 11 vorgeschaltet werden. Die beiden Hilfsspannungsquellen 4 und 6 können wahlweise mit Hilfe des Umschalters 7 an den Einspeisestromrichter 2 gekoppelt werden. Der Umschalter 7 besteht wie ge zeigt zum Beispiel aus zwei in Serie geschalteten Abschaltthyristoren mit antiparalle ler Diode. Die Spannung U2 der zweiten Hilfsspannungsquelle wird insbesondere geringer als diejenige U1 der ersten gewählt.

Die Schaltung funktioniert wie folgt:
Im Normalfall wird auf eine Taktung des Einspeisestromrichters 2 verzichtet. In die sem Fall sind die mit dem Minuspol der ersten und zweiten Hilfsspannungsquelle 4 und 6 verbundenen Abschaltthyristoren leitend. Sie bilden einen durchgehenden Kurzschluss über den Klemmen des Einspeisetransformators 3, so dass die Netz spannung unbeeinflusst an die Last 13 weitergegeben wird.

Bei Netzeinbrüchen wird der obere Thyristor des Umschalters 7 geschlossen und der untere geöffnet, so dass die erste Hilfsspannungsquelle 4 an den Einspeisestromrich ter 2 gekoppelt wird. Die Thyristoren des Einspeisestromrichters werden so getaktet, dass der Spannungseinbruch überbrückt werden kann. Insbesondere werden die Schalter pulsdauermoduliert getaktet. Der Einspeisestromrichter muss in diesem Fall hochdynamisch reagieren, so dass eine recht hohe Taktfrequenz von beispielsweise 21 × Nennfrequenz = 1050 Hz gefordert wird.

Wird der obere Thyristor des Umschalters geöffnet und der untere geschlossen, so wird die zweite Hilfsspannungsquelle 6 an den Einspeisestromrichter 2 angekoppelt. Die Schaltung arbeitet in dieser Betriebsart im Regelmodus. Es wird eine kleinere Spannung an den Einspeisestromrichter 2 angelegt. Damit kann auch nur eine klei nere Spannung eingespeist werden. Diese Betriebsart wird aber nur zum Ausregeln von Netzstörungen benötigt. Ein Vorteil dieser Betriebsart ist darin zu sehen, dass die Schaltverluste der Thyristoren des Einspeisestromrichters 2 aufgrund der niedri geren Betriebsspannung weit unter den Durchlassverlusten liegen. Ausserdem kann die Taktfrequenz in dieser Betriebsart auch geringer gewählt werden, wodurch die Schaltverluste weiter reduziert werden.

Der Regelbetrieb ist im Normalfall gegenüber dem Modus, in welchem Netzspan nungseinbrüche kompensiert werden müssen, häufiger. Somit wird die erfindungs gemässe Schaltungsanordnung hauptsächlich so betrieben, dass die Schaltverluste nicht ins Gewicht fallen. Auf diese Weise werden die gesamten Verluste gering ge halten.

Ausserdem kann für Anwendungen, bei denen der Regelbereich klein ist (z. B. (5%) und die Last 13 einen Leistungsfaktor deutlich unter 1 (z. B. cosϕ = 0.8), auf eine Gleichrichterschaltung 8 im Rahmen der zweiten Hilfsspannungsquelle ganz ver zichtet werden. Der Einspeisestromrichter 2 wird dann so getaktet, dass seine Aus gangsspannung 90° versetzt ist zum Laststrom auf der Sekundärseite des Einspeise transformators 3. Auf diese Art muss von dem Einspeisestromrichter 2 keine Wirkleistung übertragen werden.

Bezugszeichenliste

1

Spannungsversorgungsnetz

2

Einspeisestromrichter

3

Einspeisetransformator

4

erste Hilfsspannungsquelle

5

Filter

6

zweite Hilfsspannungsquelle

7

Umschalter

8

Gleichrichter

9

Schalter

10

Hilfsnetz

11

Transformator

12

Umschalter

13

Last

Claims

1. Leistungselektronische Schaltungsanordnung zur Kompensation von Netzstörungen und Netzspannungseinbrüchen eines Spannungsversor gungsnetzes (1) umfassend:

(a) einen Einspeisestromrichter (2), der über einen Einspeisetransformator (3) mit dem Spannungsversorgungsnetz (1) verbunden ist, von einer ersten Hilfsspannungsquelle (4) mit einer ersten Hilfsspannung U1 ge speist wird und der bei Vorliegen von Netzstörungen oder Netzspan nungseinbrüchen für das Einspeisen einer Kompensationsspannung in das Spannungsversorgungsnetz ausgebildet ist;
(b) ein Filter (5), das netzseitig parallel zum Einspeisetransformator (3) ge schaltet werden kann;
dadurch gekennzeichnet, dass
(c) mindestens eine zweite Hilfsspannungsquelle (6) mit einer zweiten Hilfsspannung U2 vorgesehen ist, die anstelle der ersten Hilfsspan nungsquelle (4) an den Einspeisestromrichter (2) ankoppelbar ist, wo bei die zweite Hilfsspannung U2 niedriger als die erste Hilfsspannung U1 gewählt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeisestromrichter (2) bei Netzstörungen pulsdauermoduliert ge taktet werden.