DE4219214A1 - Schaltung zur Oberwellenbedämpfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Oberwellenbe­ dämpfung, welche zwischen einem Stromrichter und einem Wechselspannungsnetz geschaltet ist, mit einer Duplex­ drossel, die eine an den Stromrichter angeschlossene Primärwicklung und eine an das Netz angeschlossene, antiparallel zur Primärwicklung geschaltete Sekundär­ wicklung aufweist.

Derartige Schaltungen werden sowohl in starren Netzen, z. B. zur Einspeisung von durch Windkraftwerke oder Solarzellen erzeugte Energie, als auch in Inselnetzen eingesetzt, die unabhängig vom starren Netz arbeiten und somit keine eingeprägte starre Spannung aufweisen. Sol­ che Inselnetze können beispielsweise Bordnetze von Flug­ zeugen oder Schiffen sein. Die Gestaltung eines Netzes ist auf eine wirtschaftliche und sichere Bereitstellung elektrischer Energie gleichmäßiger Qualität und Verfüg­ barkeit gerichtet. Die Qualität der Versorgung wird bestimmt von der Stetigkeit von Spannung und Frequenz, die dabei innerhalb der vorgegebenen Grenzen gehalten werden müssen.

Neben der Güte der Generatoren und ihrer Antriebsmaschi­ nen sowie der Fähigkeit der Regler, Belastungsänderungen auszugleichen, hat auch die Leistungselektronik erhebli­ chen Einfluß auf den Verlauf von Spannung und Strom und auf deren Frequenz. Stromrichter werden nämlich einer­ seits für die Steuerung und Regelung elektrischer An­ triebe im Netz verwendet. Andererseits werden Stromrich­ ter auch im wesentlichen zur Veränderung der vom Genera­ tor erzeugten Spannungs- und Stromverläufe eingesetzt; hier unterscheidet man Gleichrichter, Wechselrichter und Umrichter. So finden beispielsweise in Verbindung mit Wellengeneratoren oder Windkraftanlagen netzgeführte Stromrichter Verwendung, die bei unterschiedlicher Dreh­ zahl der Generatoren die erzeugte Spannung derart um­ richten, daß sich ein im wesentlichen stets konstanter Verlauf ergibt.

Zwar erlauben die Stromrichter eine optimale Regelung, jedoch entstehen durch die Wirkung der Stromrichter oberwellen in der Spannung und im Strom, die die Funk­ tion von am Netz angeschlossenen Verbrauchern nachteilig beeinträchtigen können. Insbesondere durch die Kommutie­ rung des Stromes an den Halbleiterventilen entstehen beim Betrieb von Stromrichtern Oberschwingungen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Netzfrequenz sind. Die am häufigsten verwendeten sechspulsigen Stromrichter produzieren vorwiegend Oberschwingungen der fünften, siebten, elften, dreizehnten, siebzehnten, neunzehnten, dreiundzwanzigsten und fünfundzwanzigsten Ordnung, wobei insbesondere die Oberschwingungen der fünften und sieb­ ten Ordnung dominieren. Zwar entfallen diese dominieren­ den Oberschwingungen der fünften und siebten Ordnung bei zwölfpulsigen Stromrichtern, jedoch wird dieser Vorteil mit relativ hohen Baukosten erkauft. Die Oberschwingun­ gen sind der Grundschwingung mit Netzfrequenz überla­ gert. Für den Energietransport ist jedoch allein die Grundschwingung mit Netzfrequenz maßgebend. Durch die Oberschwingungen wird also das Netz in unerwünschter Weide "verschmutzt".

Es wurden nun verschiedene Maßnahmen zur Oberwellenbe­ dämpfung entwickelt. Eine dieser Maßnahmen bildet die eingangs genannte Schaltung mit einer Duplexdrossel, die eine an den Stromrichter angeschlossene Primärwicklung und eine an das Netz angeschlossene, antiparallel zur Primärwicklung geschaltete Sekundärwicklung aufweist. Beide Wicklungen sind zwar voneinander galvanisch ge­ trennt, aber magnetisch eng gekoppelt. Die Primärspule führt den Wechselstrom des Stromrichters. In der anti­ parallel zur Primärspule geschalteten Sekundärspule wird eine den Spannungseinbrüchen im Stromrichternetz ent­ gegengesetzte Spannung induziert und der Netzspannung überlagert. Durch derartige Duplexdrosseln werden die den Stromrichtern normalerweise zugeordneten Kommutie­ rungsdrosseln ersetzt, da die Primärspule der Duplex­ drossel die Kommutierungsinduktivität übernimmt.

Bei richtigem Übersetzungsverhältnis und einem hohen Kopplungsgrad der Drossel lassen sich bis zu 80% der oberwellen über das gesamte Frequenzspektrum eliminie­ ren.

Auch wenn sich gezeigt hat, daß dieses Prinzip des Aus­ gleiches von Oberwellen durch Antioberwellen bei Ver­ wendung einer Duplexdrossel den übrigen herkömmlichen Methoden überlegen ist, ist insbesondere nachteilig, daß die bekannten Drosseln sehr großbauend und kostenmäßig teuer sind, wenn die immer schärfer werdenden Netz-Ober­ schwingungs-Bestimmungen, wie sie beispielsweise von den Energieversorgungsunternehmen oder vom Germanischen Lloyd vorgegeben sind, erfüllt werden sollen. Demnach besteht also der Bedarf an einer Verbesserung der Ober­ wellenbedämpfung unter gleichzeitiger Senkung der Ko­ sten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Schaltung der eingangs genannten Art die bei­ den Wicklungen der Duplexdrossel an einem Anzapfungs­ punkt zusammengeschaltet sind, an dem ein auf die zu dämpfenden oberwellen im wesentlichen abgestimmtes L-C-Filter angeschlossen ist, das im einphasigen System gegen Masse, im mehrphasigen System gegen dessen Mittel­ punkt oder im dreiphasigen System im Dreieck geschaltet ist.

Wie insbesondere Simulationsversuche und -rechnungen gezeigt haben, wird mit der erfindungsgemäßen Schaltung wird eine nicht unwesentliche Verbesserung der Oberwel­ lenbedämpfung gegenüber den bisher bekannten Maßnahmen erreicht. Gleichzeitig ist eine Reduzierung des Aufwan­ des und somit der Kosten realisierbar, da keine sehr großbauende Drossel verwendet zu werden braucht. Bei gleichem Klirrfaktor ergibt sich mit den erfindungsgemä­ ßen Maßnahmen sogar eine wesentlich kostengünstigere Lösung. Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Gefahr des Kippens von netzgeführten Wechsel­ richtern bei Kurzschluß verringert und somit eine größe­ re Verfügbarkeit bei Kurzschluß erzielt wird und daß auch der cosϕ optimiert werden kann.

Erfindungsgemäß werden die Vorteile dadurch erreicht, daß zwar durch die Verwendung einer Duplexdrossel die Oberwellen zumindest zu einem großen Teil durch Antio­ berwellen kompensiert werden können, jedoch durch die zusätzliche Anschaltung eines L-C-Filters an einen beide Wicklungen der Duplexdrossel verbindenden Anzapfungs­ punkt die Kompensation zumindest der wesentlichen Ober­ wellen noch erheblich verstärkt wird.

Wenn - was bei den meisten Anwendungen der Fall ist - ein sechspulsiger Wechselrichter verwendet wird, liegt die Resonanzfrequenz des L-C-Filters vorzugsweise auf einem Wert zwischen der fünften und der siebten Harmoni­ schen der Netzfrequenz.

Bei Verwendung eines zwölfpulsigen Wechselrichters soll­ te dagegen die Resonanzfrequenz des L-C-Filters auf einem Wert zwischen der elften und dreizehnten Harmoni­ schen der Netzfrequenz liegen.

Ist die erfindungsgemäße Schaltung dagegen an einem Pulswechselrichter angeschlossen, ist das L-C-Filter zweckmäßigerweise auf die Pulsfrequenz des Pulswechsel­ richters abgestimmt.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann ein Phasen­ schieber parallel zum L-C-Filter am Anzapfungspunkt der Duplexdrossel angeschlossen sein. Ist bei dieser Aus­ führung die erfindungsgemäße Schaltung an einen Umrich­ ter mit Zwischenkreisstrom angeschlossen, kann das L-C- Filter oder dessen Kondensator bevorzugt erst bei Über­ schreiten eines Grenzwertes des Zwischenkreisstromes zugeschaltet werden.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltung in Verbindung mit einer Netzeinspei­ sung einer ersten Ausführung; und

Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltung in Verbindung mit einer Netzeinspei­ sung einer zweiten Ausführung.

Fig. 1 zeigt eine Netzeinspeisung mit einem Generator 2, der Wechselspannung erzeugt. Dieser Generator 2 kann beispielsweise in einem Windkraftwerk von dessen Rotor angetrieben werden oder in einem Schiff als Wellengene­ rator vorgesehen sein. Die Drehzahl des Generators 2 und somit die Frequenz der erzeugten Wechselspannung können schwanken.

Der Generator 2 ist an einen Gleichrichter 4 angeschlos­ sen, der über einen Zwischenstromkreis 6 mit einer Dros­ sel 7 mit einem Wechselrichter 8 gekoppelt ist. Der Wechselrichter 8 kann beispielsweise aus einem sechs- oder zwölfpulsigen Wechselrichter bestehen.

An den Wechselrichter 8 ist eine Duplexdrossel 10 ange­ schlossen, die eine Primärwicklung 11 und eine antipa­ rallel zur Primärwicklung 11 geschaltete Sekundärwick­ lung 12 aufweist. Beide Wicklungen 11, 12 sind galva­ nisch voneinander getrennt, jedoch magnetisch relativ eng gekoppelt. Mit der Primärwicklung 11 ist die Duplex­ drossel 10 an den Wechselrichter 8 und mit der Sekundär­ wicklung 12 an ein Netz 14 angeschlossen, in das die vom Generator 2 erzeugte Energie gespeist wird.

Bei dem Netz 14 kann es sich beispielsweise um ein star­ res Netz handeln. Dann wird gewöhnlich als Wechselrich­ ter 8 ein netzgeführter Wechselrichter verwendet. Das Netz 14 kann aber auch ein Inselnetz darstellen, also ein abgeschlossenes Netz ohne eingeprägte Spannung.

Die beiden Wicklungen 11, 12 der Duplexdrossel 10 sind an einem Anzapfungspunkt 16 bzw. Mittelanzapfung zusam­ mengeschaltet, und ein geschaltetes L-C-Filter 18 ist an diesen Anzapfungspunkt 16 angeschlossen. Da im beschrie­ benen Beispiel ein Drehstromnetz vorhanden ist, ist das L-C-Filter 18 gegen den Sternpunkt oder im Dreieck ge­ schaltet. Bei einphasigen Netzen ist das L-C-Filter dagegen gegen Masse geschaltet. Die Spule 19 und der Kondensator 20 des L-C-Filters 18 werden so dimensio­ niert, daß die Resonanzfrequenz des L-C-Filters auf einem Wert zwischen der fünften und der siebten Harmoni­ schen der Netzfrequenz liegt. Außerdem läßt die Anschal­ tung des L-C-Filters 18 an den Anzapfungspunkt 16 der Duplexdrossel 10 wie bei herkömmlichen Netz filtern eine solche Auslegung des Kondensators 20 zu, daß eine weit­ gehende Blindlastkompensation des Wechselrichters 8 möglich ist.

Durch die Resonanzwirkung des L-C-Filters 18 in Verbin­ dung mit der Duplexwirkung der Duplexdrossel 10 läßt sich eine wesentliche Reduzierung des Klirrfaktors und somit eine sehr gute Oberwellenbedämpfung erzielen.

Ähnliche Verbesserungen ergeben sich auch für zwölfpul­ sige Anlagen, die mit zwei um 30°el versetzt arbeitende Wechselrichter und einem Dreiwicklungstransformator mit Stern- und Dreieckswicklung auf der Primärseite arbeiten (in den Figuren nicht dargestellt). Da auf der Trans­ formator-Sekundärseite die fünfte und siebte Harmonische der Netzfrequenz nicht mehr auftreten, ist das L-C-Fil­ ter 18 auf einen Resonanzfrequenzwert zwischen der elf­ ten und dreizehnten Harmonischen der Netzfrequenz auszu­ legen, um beste Filterbedingungen zu erzielen.

Insbesondere wenn es sich bei dem Netz 14 um ein Insel­ netz handelt, kann zur Spannungsregelung und Blindlast­ erzeugung ein Phasenschieber 22 an den Anzapfungspunkt 16 der Duplexdrossel 10 parallel zum L-C-Filter 18 ange­ schlossen werden. Durch das parallelgeschaltete L-C- Filter 18 kann der Phasenschieber 22 relativ klein aus­ gelegt werden. Gegebenenfalls kann das L-C-Filter 18 oder dessen Kondensator erst bei Überschreiten eines Grenzwertes des Stromes im Zwischenkreis 6 zugeschaltet werden.

Erfolgt die Energie-Netzeinspeisung über einen Pulswech­ selrichter 28, der über einen Zwischenkreis 26 mit parallelgeschaltetem Kondensator 27 am Gleichrichter 4 angeschlossen ist, wie Fig. 2 zeigt, so kann die Duplex­ drossel 10 entweder direkt hinter dem Pulswechselrichter 28 oder hinter einer an diesen angeschlossenen Drossel 30 geschaltet sein, wobei die Resonanzfrequenz des L-C- Filters 18 auf die Pulsfrequenz des Pulswechselrichters 28 abgestimmt ist.

Ergänzend sei noch angemerkt, daß das L-C-Filter 18 wahlweise aus einer Reihenschaltung von Spule 19 und Kondensator 20, wie in den Figuren gezeigt ist, oder auch aus einer Parallelschaltung von Spule und Kondensa­ tor bestehen kann.

Die zuvor beschriebene Schaltung aus Duplexdrossel 10 und L-C-Filter 18 kann überall dort eingesetzt werden, wo Stromrichter Oberwellen erzeugen, die das Netz "ver­ schmutzen". Sie kann daher auch bei Stromrichterantrie­ ben netzseitig eingesetzt werden. Dabei wird die Duplex­ drossel mit dem an der Mittelanzapfung angeschalteten L-C-Filter stets zwischen dem betreffenden Stromrichter und dem Netz geschaltet. Die Duplexdrossel in Verbindung mit dem L-C-Filter bildet für die oberwellen eine Dros­ selsperre und erzeugt beim Abfall der Netzspannung auf Null im Falle eines Kurzschlusses am Wechselrichter eine Spannung, die ein Kippen erschwert. Dabei kann die Du­ plexdrossel mit dem L-C-Filter an beliebige Stromrichter angeschlossen und sowohl auf Seiten der Netzeinspeisung als auch auf der Seite von durch Stromrichter geregelte Verbraucher wie z. B. Elektromotoren geschaltet sein.

Hinsichtlich der Auslegung der Duplexdrossel ist noch anzumerken, daß die Höhe der Induktivität jeder der beiden Wicklungen 11, 12 und deren Übersetzungsverhält­ nis insbesondere von der Reaktanz des Netzes 14 abhängt, wobei sich im allgemeinen aus dem Verhältnis der Sub­ transientenreaktanz des Netzes zur Reaktanz der Duplex­ drossel das optimale Übersetzungsverhältnis der Duplex­ drossel ergibt. Die Dimensionierung der Wicklungen 11, 12 richtet sich natürlich auch noch nach der Höhe der zu übertragenden Leistung.

Claims (6)

1. Schaltung zur Oberwellenbedämpfung, welche zwischen einem Stromrichter (8; 28) und einem Wechselspannungs­ netz (14) geschaltet ist, mit einer Duplexdrossel (10), die eine an den Stromrichter (8; 28) angeschlossene Primärwicklung (11) und eine an das Netz (14) ange­ schlossene, antiparallel zur Primärwicklung geschaltete Sekundärwicklung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (11, 12) der Duplexdrossel (10) an einem Anzapfungspunkt (16) zusammengeschaltet sind, an dem ein auf die zu dämpfen­ den Oberwellen im wesentlichen abgestimmtes L-C-Filter (18) angeschlossen ist, das im einphasigen System gegen Masse, im mehrphasigen System gegen dessen Mittelpunkt oder im dreiphasigen System im Dreieck geschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, welche an einen sechs­ pulsigen Wechselrichter (8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des L-C-Filters (18) auf einem Wert zwischen der fünften und siebten Harmonischen der Netzfrequenz liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, welche an einen zwölf­ pulsigen Wechselrichter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des L-C-Filters auf einem Wert zwischen der elften und drei­ zehnten Harmonischen der Netzfrequenz liegt.

4. Schaltung nach Anspruch 1, welche an einen Puls­ wechselrichter (28) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das L-C-Filter (18) auf die Pulsfrequenz des Pulswechselrichters (28) abgestimmt ist.

5. Schaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenschieber (22) parallel zum L-C-Filter (18) am Anzapfungspunkt (16) der Duplexdrossel (10) angeschlossen ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, welche an einen Umrich­ ter mit Zwischenkreisstrom (6) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das L-C-Filter (18) oder dessen Kondensator (20) erst bei Überschreiten eines Grenzwertes des Zwischenkreisstromes (6) zuschaltbar ist.