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 hiervon

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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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