DE4232356A1 - Stromversorgungseinrichtung mit mindestens zwei Stromrichtern, z.B. Windkraftanlage, Photovoltaikanlage, Batteriespeicher sowie Kombinationen hiervon - Google Patents
Stromversorgungseinrichtung mit mindestens zwei Stromrichtern, z.B. Windkraftanlage, Photovoltaikanlage, Batteriespeicher sowie Kombinationen hiervonInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung mit
mindestens zwei Stromrichtern, z. B. Windkraftanlage,
Photovoltaikanlage, Batteriespeicher sowie Kombinationen
hiervon.
Stromversorgungseinrichtungen der eingangs genannten Art sind
bekannt; häufig werden Windkraftanlagen in Form von
sogenannten Windparks eingesetzt, wobei der Aufbau derartiger
Windparks von den herrschenden Windverhältnissen und der Art
der Einzelanlagen abhängt. Bei Windkraftanlagen mit
Asynchron-Generatoren wird eine direkte Netzkopplung
bevorzugt, während bei Synchron-Generatoren meist eine
Netzkopplung über einen Frequenzumrichter, bestehend aus
einem Gleichrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis und
netzgeführtem Wechselrichter, erfolgt. Es werden auch
Windkraftanlagen mit Generatoren eingesetzt, die mehrere
parallel zueinander angeordnete Statorwicklungen mit
entsprechenden Stromrichtern aufweisen. Ein derartiger
Generator kann im vorliegenden Fall auch als ein System
bestehend aus zwei Maschinen bzw. zwei Einheiten betrachtet
werden.
Eine Umrichterspeisung ist dann von Vorteil, wenn das
Energieangebot vergleichmäßigt werden soll, so kann z. B. bei
böigem Wind über variable Drehzahl mit Hilfe der
Schwungmassen als Speicher ein Ausgleich geschaffen werden.
Bei einem Windrad mit Umrichter wird die Drehzahl bei
schwankender Windgeschwindigkeit derart verändert, daß die
vom Wind angebotene Energie besser genutzt, mechanische
Anlagenteile entlastet und eine gleichmäßigere
Ausgangsleistung abgegeben wird. Das heißt, die Schwungmasse
des Windrades wird zur Vergleichmäßigung der Abgabeleistung
herangezogen.
Bei Netzeinspeisung über Umrichtersysteme besteht die Gefahr
von Netzeinwirkungen. U.a. können Oberschwingungen in das
Netz eingebracht werden und Netzresonanzen entstehen. Die
Folge ist, daß sich Strom- oder Spannungsüberhöhungen im Netz
ergeben, bis zu einzelnen Verbrauchern fortpflanzen und dort
zu Beeinträchtigungen führen.
Photovoltaikanlagen oder Batteriespeicher, die Gleichstrom
liefern, sind ebenfalls häufig über netzgeführte
Wechselrichter mit dem Wechsel- oder Drehstromnetz verbunden
und verursachen entsprechende Oberschwingungsprobleme.
Wird ein Netz am Anschlußpunkt eines oder mehrerer Einspeise-
oder Verbrauchersysteme betrachtet, so ist für das Verhalten
die Gesamtimpedanz der Konfiguration maßgebend, die sich
anhand der gegebenen Kombination von ohmschen Widerständen,
Induktivitäten und Kapazitäten im Einspeise-, Verteiler- und
Verbrauchersystem ermitteln läßt. Entsprechend der Anzahl
dieser Einzelelemente, ihrer Anbindung und Größe der
Impedanzen ergeben sich u. a. Eigenresonanzwerte im
betrachteten Netzteil, die - wie bereits ausgeführt - bei
Anregung Strom- oder Spannungsüberhöhungen in den
angeschlossenen Bauelementen und Geräten verursachen können.
Diese Anregungen treten insbesondere durch
Stromrichtereinheiten auf, wie sie in Windkraft- und
Photovoltaikanlagen oder Batteriesystemen eingesetzt werden.
Derartige Stromumformer erzeugen nichtsinusförmige Strom- und
Spannungsverläufe, die neben der Grundschwingungsfrequenz
auch höherfrequente Anteile (Oberschwingungen) beinhalten. Es
ist auch nicht zu verkennen, daß Oberschwingungen in
Erzeuger- und Verbrauchersystemen zusätzliche Verluste und
auch Alterungseffekte (z. B. bei Kondensatoren) zur Folge
haben.
Nach dem Stand der Technik werden in einem Verbundnetz bzw.
in Teil- oder Inselnetzen störende Oberschwingungen
vorwiegend durch Filtereinrichtungen auf ein für Verbraucher-
und Erzeugersysteme erträgliches Maß abgebaut.
Aus der EP-OS 473 257 ist bekannt, daß zur elektrischen
Energieumsetzung z. B. durch Parallelschaltung von mehreren
Stromrichterbrücken Netzschwingungen reduziert und
Gleichstromversorgungen insgesamt günstiger gestaltet werden
können. Die EP-OS 353 715 hat die Unterdrückung von
Schwingungsphänomenen durch Pulsation der Gleichspannung bei
Frequenzwandlern zum Inhalt. Weiterhin werden Umrichter
speziell auf niedrigen Oberschwingungsgehalt ausgerichtet,
konstruiert und gebaut (z. B. EP 91 305368.2).
So ist insbesondere die Anordnung von Filtern zum Abbau der
störenden Oberschwingungen zwar die Maßnahme, die nach dem
Stand der Technik zu den besten Ergebnissen führt. Der
Einsatz von Filtern verursacht jedoch zusätzliche Kosten und
verliert beim Auftreten von höherfrequenten Resonanzen an
Wirksamkeit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer
Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art das
Auftreten von Oberschwingungen im Netz in unerwünschten
Frequenzbereichen zu verhindern bzw. die Schwingungen derart
zu vermindern, daß sie keine Gefahr für Verbraucher- und
Erzeugersysteme darstellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Spannung der einen Stromrichtereinheit derart
phasenverschoben zu der der anderen Stromrichtereinheit in
das Stromnetz eingespeist wird, daß eine Auslöschung oder
Überdeckung der Phasen von Oberschwingen erfolgt. Hierdurch
wird erreicht, daß im Gegensatz zu den bekannten
Möglichkeiten nach dem Stand der Technik in vorhandenen oder
zu installierenden Systemen eine gezielte Reduzierung von
Oberschwingungen und Klirrfaktorwerten erfolgt.
Eine besondere Ausführungsform einer Stromversorgungs
einrichtung mit mindestens zwei Stromrichtereinheiten ist
z. B. eine Anordnung von Windkraftanlagen mit Wechselrichtern,
die derart ausgerüstet sind, daß sie sich mit
unterschiedlichen Steuerwinkeln betreiben lassen. Dies kann
z. B. dadurch erreicht werden, daß die stromrichterseitige
Trafowicklung der einen Stromversorgungseinrichtung eine
andere Spannungsebene aufweist als die Trafoseite der anderen
Stromversorgungseinrichtung. Dadurch, daß die Trafos bzw.
Trafowicklungen von beispielsweise zwei Windkraftanlagen
jeweils eine unterschiedliche Spannungsebene haben, wird
erreicht, daß der Stromrichter beispielsweise in Form eines
Wechselrichters der jeweiligen Windkraftanlage mit einem
anderen Steuerwinkel betrieben wird. Die Spannungsebenen der
beiden Trafos sind daher so zu wählen, daß eine Auslöschung
oder zumindest partielle Überdeckung der durch den jeweiligen
Wechselrichter erzeugten Phasen erzielt wird. Zur Auslöschung
oder Überdeckung von Phasen bestimmter Oberschwingungen ist
die halbe Periodendauer der kritischen Oberschwingungszahl
als Phasenverschiebungswinkel geeignet. Bei der Auswahl der
Oberschwingungszahl, die ausgelöscht werden soll, ist die
kritische Netzfrequenz zu wählen, die besondere
Beeinträchtigungen hervorruft, z. B. die Frequenz, die nahe
der Netzeigenresonanz- oder Rundsteuerfrequenz liegt.
Nach einer anderen Ausführungsform wird zur Auslöschung oder
zumindest partiellen Überdeckung der Phasen von Ober
schwingungen bei elektrisch erregten Generatoren die
Zwischenkreisspannung entsprechend geändert.
Das heißt, durch die Erregung des Generators wird die
Zwischenkreisspannung so geändert, daß sich entsprechende
Steuerwinkel ergeben und sich die Phasen der Oberschwingungen
des einen Generators mit denen eines weiteren Generators
auslöschen bzw. überdecken.
Sowohl bei elektrisch erregten als auch bei permanenterregten
Generatoren besteht darüber hinaus die Möglichkeit, daß der
Gleichrichter durch die Wahl des Steuerwinkels derart
betrieben wird, daß durch eine Einstellung der Zwischenkreis
spannung eine Auslöschung oder Überdeckung von Phasen von
Oberschwingungen am Wechselrichterausgang erfolgt. Das heißt,
soll eine bestimmte Oberschwingung abgebaut werden, muß die
Zwischenkreisspannung entsprechend eingestellt bzw. geregelt
werden.
Eine weitere Möglichkeit ist dadurch gegeben, die Stator
wicklung jeweils zweier Maschinen derart zu wählen, daß durch
die unterschiedliche Zwischenkreisspannung einer jeden
Maschine eine derartige Steuerwinkeldifferenz erzeugt wird,
daß sich die entsprechenden Phasen von Oberschwingungen
überdecken oder auslöschen. Das heißt, die Statorwicklung bei
zwei Maschinen wird derart gewählt, daß sich die jeweils
ergebenden Zwischenkreisspannungen in geeigneter Weise
einstellen und hierdurch eine Steuerwinkeldifferenz entsteht,
wobei die Differenz so zu wählen ist, daß sich hier die
Phasen der Oberschwingungen auslöschen oder zumindest
partiell überdecken bzw. in der Summe vermindern, um
insbesondere hierdurch den Klirrfaktor zu reduzieren.
Durch die Wahl der Auslegungs-, Steuer- oder Regelungsgrößen
ist es möglich, bestimmte Oberschwingungen, Gruppen von
Oberschwingungen, sowie den gesamten Oberschwingungsgehalt zu
vermindern. Dabei lassen sich durch die Erhöhung der Anzahl
von Systemen die Freiheitsgrade erhöhen, d. h. durch den
Einsatz von z. B. 3 Einheiten ist es möglich, eine Abstimmung
auf 2 Oberschwingungen zu erreichen.
In den Fig. 1 bis Fig. 4 sind Beispiele für Systeme mit
Gleich- und Wechselrichter dargestellt.
Zwei oder mehr elektrische Versorgungssysteme können nach
Fig. 1 von einer gemeinsamen Spannungsebene ausgehend direkt
oder über einen Transformator in das Netz einspeisen, bzw.
nach Fig. 2, 3 und 4 über parallele Zweige getrennt oder
magnetisch gekoppelt mit dem Netz verbunden werden. Dabei
kann die Verbindung nieder-, mittel- oder hochspannungsseitig
geschaffen werden.
Die Konfiguration nach Fig. 2 soll im folgenden beispielhaft
betrachtet werden. Dabei wird die 25. Oberschwingung
ausgewählt, die ausgelöscht oder stark vermindert werden
soll, weil im Bereich der 25. Oberschwingung die
Netzeigenresonanzfrequenz besteht. Somit ergibt sich ein
Differenzwinkel von 360°/2×25=7,2° für die Ansteuerung.
Wechselrichter, die auch bei ca. 10% Spannungsschwankung vor
sogenanntem "Kippen" geschützt werden, lassen sich bei einem
Ansteuerwinkel von etwa 140° sicher betreiben. Somit wird der
Wechselrichter des ersten Versorgungssystems mit 140° und die
zweite Einheit mit 132,8° betrieben. Um diesen Zustand z. B.
im Nennbetrieb zu erhalten, sind die Übersetzungsverhältnisse
der Transformatoren mit ca. 12% Unterschied zu wählen. Die
Gesamtblindleistung erhöht sich dadurch um ca. 12%. Dabei
wird die 25. Oberschwingung um 95%, die 23. um etwa 87% bis
hin zur 11. mit ungefähr 20% abgemindert. Ohne wesentliche
Zusatzkosten wird dadurch der Filteraufwand erheblich
verringert.
Claims (9)
1. Stromversorgungseinrichtung mit mindestens zwei
Stromrichtereinheiten, z. B. Windkraftanlage
Photovoltaikanlage, Batteriespeicher sowie
Kombinationen hiervon,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannung der einen Stromrichtereinheit derart
phasenverschoben zu der der anderen
Stromrichtereinheit in das Stromnetz eingespeist
wird, daß eine Auslöschung oder zumindest partielle
Überdeckung der Phasen von Oberschwingungen erfolgt.
2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1
mit jeweils mindestens einem Trafo und mindestens
einem Wechselrichter,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Trafowicklung der einen Stromversorgungs
einrichtung eine andere Spannungsebene aufweist, als
die der anderen Stromversorgungseinrichtung.
3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannungsebenen bzw. deren stromrichterseitige
Wicklungen der beiden Trafos so gewählt werden, daß
eine Auslöschung oder Verminderung der durch den
jeweiligen Wechselrichter erzeugten Phasen von
Oberschwingungen erzielt wird.
4. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Auslöschung oder Verminderung von
Oberschwingungen die halbe Periodendauer der
kritischen Oberschwingungszahl als Verschiebung der
Phasenlage des Steuerwinkels gewählt wird.
5. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberschwingungszahl, die ausgelöscht oder deren
Phasen überdeckt werden sollen, nahe der kritischen
Netzfrequenz liegt.
6. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
bei elektrisch erregten Generatoren zur Auslöschung
oder zumindest partiellen Überdeckung der Phasen von
Oberschwingungen die Zwischenkreisspannung
entsprechend geändert bzw. geregelt wird.
7. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei elektrischerregten oder permanenterregten
Generatoren der Gleichrichter so gesteuert oder
geregelt wird, daß durch Variation der
Gleichstrom-Zwischenkreisspannung der Wechselrichter
mit einem Steuerwinkel betrieben wird, der zu einer
Auslöschung oder zumindest partiellen Überdeckung der
Phasen von Oberschwingungen führt.
8. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1.
dadurch gekennzeichnet, daß
die Statorwicklung jeweils zweier Maschinen derart
gewählt wird, daß durch unterschiedliche
Zwischenkreisspannung eines jeden Generators eine
derartige Steuerwinkeldifferenz erzeugt wird, daß
sich die entsprechenden Phasen von Oberschwingungen
auslöschen oder zumindest partiell überdecken bzw. in
der Summe vermindern.
9. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei zwei oder mehr kritischen Netzfrequenzen durch
den Einsatz von mehr als zwei Stromrichtereinheiten
eine Erweiterung der Wahl von Freiheitsgraden
ermöglicht wird.
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DE4232356C2 DE4232356C2 (de) | 1997-01-09 |
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ID=6468949
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DE (1) | DE4232356C2 (de) |
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