DE2749360C2 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Kompensation von Oberschwingungsströmen - Google Patents

Schaltungsanordnung und Verfahren zur Kompensation von Oberschwingungsströmen

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DE2749360C2
DE2749360C2 DE2749360A DE2749360A DE2749360C2 DE 2749360 C2 DE2749360 C2 DE 2749360C2 DE 2749360 A DE2749360 A DE 2749360A DE 2749360 A DE2749360 A DE 2749360A DE 2749360 C2 DE2749360 C2 DE 2749360C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Kompensation von Oberschwingungsströmen mittels jeweils auf eine Oberschwingung abgestimmten Hochpaßfilter und Oberwellenstromrichter.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann beispielsweise in einem über einen Stromrichter mit Gleichstrom-Übertragung von Cabora Bassa nach Johannesburg, Techn. Mitteilungen AEG-Telefunken, 64 [1974] 7, S. 249-256).
Als Nachteil der abgestimmten HochpaB-Filterkreise gilt daß sich ihre Filterwirkung bei Frequenzschwankungen des Netzes oder bei Abweichungen der Filterkreisparameter. beispielsweise infolge Alterung oder Temperatureinfluß, vermindert und zwar um so stärker, je höher die Güte des Fiiterkreises ist Da die Wirkung von abgestimmten Hochpaß-Filterkreisen hoher Güte auf jeweils eine Harmos ische beschränkt ist sind eine Reihe von Filterkreisen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen erforderlich, die untereinander Parallelresonanzen hervorrufen, was sich unter Umständen sehr störend auswirken und zu nachteiligen Oberlastungen der Filterkreise führen kann.
Diese Nachteile besitzen Hochpaß-Breitbandfilter geringer Güte nicht Daher rührt die Tendenz, bei gleichzeitigem Einsatz zwölfpulsiger Strornrichtergruppen nur noch gedämpfte Hochpaß-Breitbandfilter zu verwenden (M. Schraudolph, G. Weigel: Drosselspulen mit eingebautem Widerstand für den Hochpaß der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung von Cabora Bassa nach Johannesburg, Techn. Mitteilungen AEG-Telefunken 65 [1975] 5, S. 157 -159).
Je nach Netzanschlußbedingungen oder mit Rück- · sieht auf bereits vorhandene Filterkreise hoher Güte kann in manchen Fällen jedoch der Einsatz von Hochpaß-Breitbandfiltern allein nicht ausreichen, um die gestellten Anforderungen an den Oberschwingungsgehalt der Netzspannung über das ganze Spektrum zu erfüllen.
Um die Frequenzabhängigknten und Parameteremp-
J5 findlichkeit von abgestimmten Hochpaß-Filterkreisen zu vermindern, ist bekannt diese an sich passiven Filterkreise durch Ankopplung von Oberwellen-Wechselrichtern zu sogenannten aktiven Filtern auszubauen (N. Mohan. H. A. Peterson. W. F. Long. G. R. Dreifuerst.
"to j. J. Vithayathil: Active filters for ac harmonic suppression. Paper A 77026-8. 1977, ιζΕΕ PES Winter Meeting. New York bzw. US-PS 40 53 820).
Der Oberwellen-Wechselrichter ist in der Lage, den resultierenden Widerstand des vorher passiven Filter-
+5 kreises für die Frequenz, auf die der Filterkreis abgestimmt ist, zu Nu!! oder sogar nega'iv zu machen.
Zur Ankopplung ist zusätzlich ein Parallelresonanzkreis verhältnismäßig hoher Güte erforderlich. Da wesentliche Teile des aktiven Filters aus Resonanzkreise sen hoher Güte bestehen, ist die nachteilige Eigenschaft schwach gedämpfte Parallelresonanzen zu verursachen, wt^terhin gegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Kompensation von Oberschwingungsströmen in einem Wechsel/ Drehstromnetz zu entwickeln, wobei hohe Anforderun-
(HGb) gekoppelten Wechsel/Drehstromnetz Anwendung finden.
HGÜ-Stromrichter erzeugen im Betrieb eine Vielzahl von Stromoberschwingungen, die zu unerwünschten Verzerrungen der Sammelschienenspannung Anlaß geben können. Um diese zu vermeiden, ist es bekannt, abgestimmte Hochpaß-Filterkreise hoher Güte und/ oder Hochpaß-Breitbandfilter geringer Güte an die Sammelschiene anzuschließen (W. Dimmler, H. Haubold, M. Schraudolph und G. Weigel: Einstellbare Drosselspulen für die Filterkreise der Hochspannungsi»an in Dt-οΛΐmn7imihhflnC
ParampiPninpmnfinH-
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O 10O r
lichkeit und Restwelligkeit erfüllt werden sollen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst.
daß an den Oberwellenstromrichter als Hochpaßfilter ein Hochpaß-Breitbandfilter, bestehend aus der Parallelschaltung einer Drossel mit einem Dämpfungswiderstand und einem hierzu in Serie liegenden Kondensator, angeschlossen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Oberwellenstromrichter am gemeinsamen Verbindungspunkt der Parallelschaltung aus Drossel mit
Dämpfungswiderstand und dem hierzu in Serie geschalteten Kondensator des Hochpaß-Breitbandfilters liegt
Bei einer hierzu alternativen Schaltungsanordnung Hegt der Oberwellenstromrichter am gemeinsamen Verbindungspunkt des Hochpaß-Breitbandfilters mit einem Parallelresonanzkreis.
Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß der Oberwellenstromrichter von einer Steuereinrichtung ansteoerbar ist, der eingangsseitig die Stromdifferenz zwischen Filtersfrom und zu kompensierendem Ober- to schwingungsstrom zugeführt ist
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung Hegt der Oberwellenstromrichter über eine Glättungsdrossel, einen Gleichrichter und pinen Transformator am Wechsel/Drehstrom-Netz bzw. der entspr—henden Sammelschiene.
Ein bevorzugtes Verfahren zur erfindung^mäßen A.nordnung ist durch eine derartige Steuerung des Oberwellenstromrichters gekennze' ' net, daß dieser einen solches Strom in das HochijaD-Brekbandfilter einspeist, daß die in das Vv'.-c^sel/Drehstrom-Netz fließende Stromdifferenz zwischen Filterstrom und zu kompensierendem Oberschwingungsstrom gegen Null geht
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Hochpaß-Breitbandfilters, wird insbesondere in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Filterwirkung der Filterkreise auch bei Frequenzschwankungen des Netzes sowie bei Schwankungen der Filterkreisparameter infolge Alterung oder Temperatureinfluß erhalten bleibt. Oberlastungen der Filterkreise infolge Parailelresonanzen werden vorteilhaft vermieden.
Es können auch bereits existierende Hochpaß-Breitbandfilter in vorteilhafter Weise nachträglich in aktive Filter umgerüstet werden. Hierdurch wird das Risiko unzureichender Filienvirkung abgedeckt, das bei alleinigem Einsatz von Hochpaß-Breitbandfiltern anstelle der bisher üblichen Kombination von Hochpaß-Breitbandfiltern mit abgestimmten Hochpaß-Filterkreisen auftritt.
Die Kosten für den Umbau eines Hochpaß-Breitbandfilters in ein akti-.es Filter sind geringer als die Kosten für gleichwertige abgestimmte Filterkreise.
Die Erfindung erlaubt es also, bestehende Hochpaßfilter bei auftretenden Schwierigkeiten umzurüsten und in vie'en Fallen bei der Planung neuer HGU-Aniagei mit reinem Zwölfp'.ilsbetrieb auf abgestimmte Filterkreise hoher Güte zu verzichsen. Weitere aus üer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren sich ergebende Vorteile sind ?n entsprechender Stelle der Beschreibung genannt.
Ein Ausführungsbcäspie! der Erfindung ist im folgenden anhand Jer Zeichnungen erläutert Es zeigt
Fig. 1 ein aktives Hochpaß-Breitbandfilter mi: aktiver Filterwirkung nahe der Resonanzfrequenz des Hochpasses.
h ig. L aie Abhängigkeit des auf den Scnwi· gwiücistand Xq bezogenen Oberwellenstromrichter-Belastungswiderstandes Z„wR von der Abweichung der Netzfrequenz zu der Filtereigenfrequenz.
F1 g. 3 ein Hochpaß-Breitbandfilter mit aktiver Filterwirkung bei abweichender Resonanzfrequenz.
In F i g. 1, d': lediglich die einpolige Darstellung eines dreiphasigen Systems zeigt, ist ein aktives Hochpaß-Breitbandfilter, bestehend aus den Elementen Kondensator Cj, Dämpfungwiderstand R\ und Drossel L\ dargestellt, das an einer mittels eines HGÜ-Stromrichters 1 über einen Stromrichtertransformator 2 gespeisten Drehstrom-Sammelschiene 3 liegt Der Stromrichtertransformator 2 führt der Sammelschiene 3 einen Oberschwingungsstrom In zu. Die Elemente L\ und R\ des Hochpaß-Breitbandfilters sind parallel geschaltet und Hegen auf Erdpotential, während G hierzu in Serie geschaltet ist und an der Sammelschiene 3 liegt. Ein ebenfalls mit der Sammelschiene 3 verbundener Transformator 4 speist einen Gleichrichter 5, der über eine Glättungsdrossel 6 einem Oberwellenstromrichter 7, bevorzugt ein selbstgeführter Stromrichter, zugeführt ist
Dieser Oberwellenstromrichier 7 speist einen Strom I„wR in das Hochpaß-Breitbandfilter am gemeinsamen Verbindungspunkt von G, Li und R\ ein. Der über den Kondensator G fließende Filterstrom mit I„f bezeichnet Der Oberwellenstromrichter 7 wird von einer Steuereinrichtung 8 angesteuert Dieser Steuereinrichtung liegt eingangsseitig ein der gemessenen Stromdifferenz AIn von Filterstrom /„/ und HGÜ-Oberschwingungsstrom /„ entsprechendes Signal an. Die Stromdifferenz Aln wird mittels einer in der Verbindung zwischen Sammelschiene 3 und Netz 9 angeordneten Meßeinrichtung 10 erfaßt
Das Hochpaß-Breitbandfilter unterscheid ii sich allgemein von abgestimmten Filterkreisen hoher Güte dadurch, daß in jedem Fall ein Dämpfungswiderstand R1 vorhanden und daß dieser parallel zur Drossel L\ des Schwingkreises angeordnet ist. während dieser Widerstand Ru wenn überhaupt erforderlich, bei abgestimmten Filterkreisen in Reihe mit der Drossel angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich ein unterschiedlicher Frequenzgang von Hochpaß-Breitbandfilter und abgestimmten Filterkreisen hoher Güte.
Selbstverständlich besitzen Drossel Li und Kondensator G wie jede Drossel bzw. jeder Kondensator einen Verlustwiderstand, der bei der Dossei in Serie zu Li und beim Kondensator parallel zu G zu berücksichtigen wäre. Diese beiden Widerstände können aber beim Hochpaß-Breitbandfilter in ihrer Wirkung gegenübe: dem Dämpfungswiderstand R\ vernachlässigt werden.
Das gedämpfte Hochpaß-Breitbandfilter muß im Unterschied zum Filter hoher Güte nicht unbedingt genau auf die feste Frequenz abgestimmt sein, für die eiiie aktive Filterwirkung erreicht werden soll.
Die Resonanzfrequenz des Hochpaß-Breitbundfilters wird %o geieg!. daß sich — eventuell in Verbindung mit weiteren Hochpaß-Breitbandfiltern — unter den gegebenen Netzverhältnissen eine optimale Filterwirkung für möglichst viele Stromoberschwingungen ergibt Es ist üblich, die Resonanzfrequenz des Hochpaß-Breitbandfilters bzw. paralleler Hochpaß-Breitbandfilter zwischen die ! 1. und 1 3 Harmonische der Netzfrequenz zu legen. Manchmal werden zusätzlich Hochpaß-Breiibandfilter mit Resonanz zwischen der 23. und 25. Harmonischen vorgesehen.
Erreicht ein Hochpaß-Breitbandfilter für eine cha-
quenz nicht den erforderlichen niedrigen Widerstand (gesehen vom Netz), dann wird es durch Ankopplung des Oberwellenstrc nrichters 7 zu einem aktiven Filter für die entsprechende Harmonische erweitert.
Es sei vorausgesetzt, daß die Frequenz f„ des Stromes lawn in der Nähe der Eigenresonanz /"0 des Hochpaß-Breitbandfilters liegt, wobei
Bei vollständiger Kompensation des störenden Oberschwingungsstromes /„des HGÜ-Stromrichters 1 stellt diis Hochpaß-Breitbandfilicr — gesehen vom Oberwellenstromrichter 7 — einen »Parallclresonanxkreis« mit den Elementen Q, U und Ri dar.
Den Einfluß von Frequenzabweichungen ^(Abweichung der Netzfrequenz zu der FÜtereigenfrcquenz) auf den Scheinwiderstand Z„wk des »Parallelresonanzkrei- «, bezogen auf den Schwingwiderstand
wobei ωπ => 2 η f„ = Kreisfrequenz einer beliebigen Harmonischen n.Der Strom, den der Oberwellenstromrichter 7 liefern muß, erreicht bei Abstimmung
ω.
zeigt Fig. 2. Man kann daraus entnehmen, daß die Stromrichterleistung des Oberwellenstromrichters 7 bei einer Güte q = 4 bzw. 6 des Hochpaß-Breitbandfilters nur um 8 bzw. 20% erhöht werden muß, um den Oberschwingungsstrom t„ des HGÜ-Stromrichters 1 bei einer Frequenzabweichung von 5% zu kompensieren (mit /„ = /rf« siehe Fig. 1).
Zur Deckung der Verluste /* - — bezieht der
Oberwellenslromrichter 7 Energie von seiner Gleichstromseite. We in Fig. 1 angegeben, kann diese Energie von einem Netzgleichrichter 5 geliefert werden.
Vorstehende Darstellung gift nur für den idealen Fall, daß die Kompensation des HGÜ-Oberschwingungsstromes /« vollständig gelingt Voraussetzung für die annähernde Erfüllung dieser Bedingung ist eine entsprechende Meßeinrichtung IO zur Erfassung der Differenz Δίη von Filterstrom l„r und HGÜ-Obcrschwingungsstrom In und eine Steuereinrichtung 8. die auf den Oberwellenstromrichter 7 derart einwirkt, daß die Differenz Δ /„gegen Null geht.
Sofange der Oberwellenstromrichter 7 nicht angesteuert wird, hat das Hochpaß-Breitbandfi'ter die gleichen Eigenschaften wie vorher. Sein Scheinwiderstand /-„»κ — gesehen vom Netzanschlußpunkt und bezogen auf den Schtvingwiderstand Xo — beträgt
sein Minimum und beträgt
Die Oberwelienstromrichterleistung beträgt somit minimal
Un
20
nWH
hwR -ti=*· 1
(2)
Jf
1 ' Jf
und ^-
/ = Frequenz einer beliebigen Harmonischen n.
Wenn der Oberwellenstromrichter 7 gezündet und auf ΔΙα=0 gesteuert wird, deckt er den inneren Spannungsabfall des Stromes der /Men Frequenz am Hochpaß-Breitbandfüier. Vom Netz aus gesehen ist der scheinbare Filterwiderstarid für die betreffende Frequenz Null.
Die Spannung, für die der Oberwellenstromrichter 7 auszulegen ist, entspricht der des Spannungsabfalls, den der Strom /„an dem Kondensator C\ verursacht:
Die auftretende Verlustleistung ist praktisch genau so groß wie bei einem passiven Hochpaß-Bre'tbandfilter. Lediglich die Energiequelle ist verschieden, beim
passiven Hochpaß ist sie der HGÜ-Stromrichter 1, beim aktiven Hochpaß der Oberwellenstromrichter 7.
Es ist der Fall denkbar, daß die Filterwirkung des Hochpaß-Breitbandfilters für eine beispielsweise nichtcharakte/stische Harmonische nicht ausreicht, deren
su Frequenz von der Eigenfrequenz ί> des Hochpaß-Breitbandfilters stärker abweicht. Für diesen Fall wird die Ankopplung des OberweMenstromrichters 7 an das Hochpaß-Breitbandfilter über einen Parallelresonanzkreis verhältnismäßig hoher Gr'te vorgeschlagen, wie in
j5 Fig.3 dargestellt, wobei Fig.3 lediglich die einpolige Darstellung eines dreiphasigen Systems zeigt.
Die Resonanzfrequenzen von Hochpaß-Breitbandfilter und Parallelresonanzkreis sind dabei verschieden, und zwar hat der in F t g. 3 gezeigte Ankopplungs-Parallelresonanzkreis seine Resonanz bei der Frequenz, bei (1) derdie aktive Filterwirkung ausgeübt werden soli.
Der aus einem Dämpfungswiderstand Rj, einem Kondensator C2 und einer Drossel L2 bestehende Parallelresonanzkreis ist in Serie mit dem Hochpaß-Breitbandfilter geschaltet. Ein Pol des Parallelresonanzkreises Segt auf Erdpotential, der gemeinsam-*; Verbindungspunkt von Parallelresonanz? reis und Hochpaß-Breitbandfilter bildet den Einspeisepunkt für den Oberwellenstromrichter 7.
Der Unterschied zu der bereits envähnten bekannten Anordnung (N. Mohan, H. A. Peterson ...) liegt darin, daß zur Ankopplung an das Netz kein Serienresonanzkreis hoher Güte verwendet wird, sondern das gedämpfte Hochpaß-Breitbandfilter. Die Filterwirkung
ist daher kaum von diesem, sondern im wesentlichen vom r'requenzgang des Parallelresonanzkreises abhängig. Für diesen sind relativ niedrige Gütewei te möglich, ohne die Filterwirkung zu beeinträchtigen oder die Verlustleistung zu stark zu erhöhen. Daher kann die Frequenz- bzw. Parameterempfindlichkeit des aktiven Filters mit Hochpaß-Breitbandfilter geringer gehaiten werden als die des aktiven Filters mit abgestimmten Filtern.
Der Parallelresonanzkreis mit den Elementen C2, L2 und R2 verändert die Frequenzcharakteristik des Hochpaß-Breitbandfilters. Das mehr oder weniger breite Frequenzband, in dem aktive Filtereigenschaften auftreten, liegt um die Abstimmfrequenz des Paralleire-
sonanzkreiscs und ist haupisächlich von der Parallelresonanzgüie abhängig. Die Gleichung des auf den Schwingwidersiand bezogenen Scheinwiderstandes enthält ein zusätzliches Glied
"τ
[5
dessen Jri. jginärteil bei der Abstimmfrequenz verschwindet und dessen Realteil dann der Dämpfungswiderstand R1 ist. Das Zusatzglied, bezögen auf den Schwingwiderstand X0 des Hochpaß-Breitbaadfilters lautet;
Die Spannung, weiche der Oberwellenstromrichter 7 erzeugen muß, um den Strom InF = /„ in das Netz zu treiben, beträgt
UnWR = h ZnWK f
wobei Z„WR aus Gleichung (1) berechnet werden kann. Näherungsweise gilt.;
ZnWR = Xo' f"r "<"0i
in
— Xo ' 1
für n>n0.
Die Leistung des Oberwellenstromrichters 7 betragt daher unter Vernachlässigung des Ableitverluststromes über den Parallelresonanzkreis
Ü*WR ' InWR = ft -Xq- 1 fur η >//„. (3b)
Die Verlustleistung im Parallelresonanzfcreis beträgt
und wobei
X0
"—χ— für n<nu, rm1 (j
für n>n0.
Ein Vergleich der Stromrichterleistung nach (2) mit (3a) und (3b) zeigt, daß es aufwendiger ist, ein aktives
f„ die Resonanzfrequenz des Parallelkreises ist Filter für Frequenzen zu bauen, die nicht mit der Eigen-Und frequenz des Hochpaß-Breitbandfilters übereinstim-
n0 die Ordnungszahl der Resonanzfrequenz des j5 men. Außerdem ist ein Parallelresonanzkreis zusätzlich Hochpasses, bezogen auf die Netzfrequenz- erforderlich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Kompensation von Oberschwingungsströmen mittels jeweils auf eine Oberschwingung abgestimmter Hochpaßfilter und Oberwellenstromrichter, dadurch gekennzeichnet, daß an den Oberwellenstromrichter (7) als Hochpaßfilter ein Hochpaß-Breitbandfilter, bestehend aus der Parallelschaltung einer Drossel (L,) mit einem Dämpfungswiderstand (R,) und einem hierzu in Serie liegenden Kondensator CCi), angeschlossen isL
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberwellenstromrichter (7) am gemeinsamen Verbindungspunkt der Parallelschaltung aus Drossel (U) mit Dämpfungswiderstand (R,) und dem hierzu in Serie geschalteten Kondensator (Q) des Hochpaß-Breitbandfilters Hegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet daß der Oberwellenstromrichter (7) am gemeinsarien Verbindungspunkt des Hochp'° Breitbandfilters (C. U, Ri) mit einem Parallelres> nanzkreis (Ci. L1, R2) liegt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprücne 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberwellenstromrichter (7) von einer Steuereinrichtung (8) ansteuerbar ist, der eingangsseitig die Stromdifferenz (AIn) zwischen Hiterstrom und zu kompensierendem Oberschwingung^strom (In) zugeführt ibt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Oberwellenstromrichter (7) über eine Glättungsdrosscl (6). einen Gleichrichter (5) und einen Transformator (4) am Wechsel· Drehstiom-Netz (9) liegt.
6. Verfahren zur Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. gekennzeichnet durch eine derartige Steuerung des Oberwellenstromrichters, daß dieser einen solchen Strom (I„wr) in das HochpaB-Breitbandfilter einspeist, daß die in das Wechsel/Drehstrom-Netz fließende Stromdifferenz (Δίη) zwischen Filterstrom (In/) und zu kompensierendem Oberschwingungsstrom (In) gegen Null geht.
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