DE4308686A1

DE4308686A1 - Schaltungsanordnung zur Einspeisung oder Entnahme von Wirk- und Blindleistung aus einem oder in ein niederfrequentes Wechselspannungsnetz

Info

Publication number: DE4308686A1
Application number: DE4308686A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr Ing Hempel; Christian Dr Ing Bendel; Juergen Dr Ing Petzoldt; Gotthard Dr Ing Berger
Original assignee: ISET; PETZOLDT JUERGEN DR
Current assignee: ISET; PETZOLDT JUERGEN DR
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2013-03-19
Also published as: DE4308686C2

Description

Schaltungsanordnung zur Einspeisung oder Entnahme von Wirk- und Blindleistung aus einem oder in ein niederfrequentes Wechselspannungsnetz.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Einspeisung oder zur Entnahme von Wirk- und Blindleistung in ein oder aus einem niederfrequenten Wechselspannungsnetz, die ein Gleichspannungsnetz mit Energiespeicher und Energiequelle aufweist- sowie einem Verbraucher.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist beispielsweise bei regenerativen Energieversorgungssystemen (Energieerzeugungsanlagen) bekannt. Eine derartige Schaltungsanordnung, insbesondere wenn sie zur Einspeisung von Wirk- und Blindleistung in ein niederfrequentes Wechselspannungsnetz verwendet wird, liefert Spannung und Strom oft nur in einer schlechten Qualität; d. h., die abgegebene Leistung weist eine starke Dynamik im Leistungsverlauf bzw. bei der Leistungsabgabe auf.

Aber auch die Entnahme aus einem Netz durch einen Verbraucher ist nicht unproblematisch; so entstehen beispielsweise Schieflasten im Netz, wenn einzelne Außenleiter des Dreiphasensystems durch einen starken Verbraucher belastet werden; zur Beseitigung einer derartigen Schieflast muß das Energieversorgungsunternehmen mit Kompensationsmaßnahmen eingreifen. Darüber hinaus belasten Elektromotoren das Netz induktiv mit der Folge, daß ein hoher Blindleistungsanteil im Netz entsteht. Wenn Stromrichter am Netz sind, also beispielsweise Dimmer, Netzteile usw., kann eine saubere Grundschwingung von dem Netz nicht aufrechterhalten werden. Vielmehr ist es so, daß in diesem Fall der obere Teil der sinusförmigen Schwingung geglättet wird. Darüber hinaus ist aber auch hier aufgrund von Anlaufvorgängen und Lastsprüngen von Elektromotoren eine starke Dynamik im Leistungsverlauf bzw. bei Leistungsaufnahme vorhanden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, wodurch das Netz gleichmäßig belastet wird, und mit der das Netz im wesentlichen mit reiner Wirkleistung belastet bzw. reine Wirkleistung eingespeist wird.

Die Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung zur Einspeisung von Wirk- und Blindleistung in ein nieder frequentes Wechselspannungsnetz durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Die Lösung der Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung zur Entnahme von Wirk- und Blind leistung aus einem niederfrequenten Wechselspannungsnetz rechnet sich durch die Maßnahme gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 2 aus.

Sowohl durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 als auch durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2 wird die Möglichkeit der gezielten Blindleistungskompensation eröffnet. D. h., daß beispielsweise bei einem Industriebetrieb, der aufgrund der Verbraucher das Netz stark induktiv belastet, zur Kompensation kapazitive Blindleistung in das Netz eingespeist wird. Bislang war es so, daß hier statisch, d. h. beispielsweise durch Kondensatorbatterien die kapazitive Blindleistung (Kompensationsblindleistung) bereitgestellt wurde. Nachteilig hieran ist, daß sich die Zuschaltung dieser kapazitiven Blindleistung nicht stufenlos regeln läßt, sondern sich beispielsweise die Kondensatorbatterien nur in Schritten zuschalten lassen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Gleich spannungsnetz durch einen Umrichter mit einem höher frequenten Wechselspannungsnetz gekoppelt, wobei das höher frequente Wechselspannungsnetz einen Energiespeicher und eine Energiequelle aufweist. Durch ein höherfrequentes Wechselspannungsnetz können höhere Energiemengen übertragen werden, ohne daß die Transformatoren, z. B. im Umrichter größer werden müssen bzw. sie können unter Umständen sogar kleiner werden. Darüber hinaus entstehen in den Stromrichtern weniger Schaltungsverluste bei Einsatz spezieller Steuerverfahren, wie sie nur bei einem höherfrequenten Wechselspannungsnetz möglich sind. Hierdurch steigt der Systemwirkungsgrad.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird bei in der Steuereinheit bekanntem Blindleistungsbedarf des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes durch die Steuereinheit der Umrichter so gesteuert, daß sich der geförderte netzfrequente Blindstrom am Anschlußpunkt des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes einstellt, und daß bei einer zeitlich veränderlichen Differenz zwischen Leistungsbedarf und Leistungsüberschuß im System die Steuer einheit den Energiefluß der an das Gleichspannungsnetz oder im zweiten Fall an das höherfrequente Wechselspannungsnetz über den Umrichter angeschlossenen Speicher so steuert, daß der Wirkstrom am Anschlußpunkt des niederfrequenten Wechsel spannungsnetzes über einen ausreichend großen Zeitraum konstant bleibt. D. h., wenn eine Differenz zwischen Leistungsbedarf und Überschuß besteht, dann wird diese Differenz durch den entsprechenden Energiespeicher ausgeglichen, so daß der Wirkstrom am Netz weitgehend konstant gehalten werden kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Umrichter bei Anschluß an das Gleichspannungsnetz als Pulswechsel richter ausgebildet.

Der Umrichter ist als Matrixconverter bei Anschluß an das höherfrequente Wechselspannungsnetz ausgebildet; durch den Matrixconverter wird jeder Eingangsanschlußpunkt über einen sperrfähigen leistungselektronischen Schalter mit jedem Ausgangsanschlußpunkt verbunden. Dadurch, daß die Spannung im Gleichspannungsnetz größer als der Spitzenwert der verketteten Spannung des niederfrequenten Wechselspannungs netzes ist, wird die Möglichkeit eröffnet, in ein Netz einzu speisen.

Anhand der Zeichnungen wird die Schaltungsanordnung nachstehend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung für ein Gleichspannungsnetz;

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung bei Verbindung des Gleichspannungsnetzes mit dem höherfrequenten Wechselspannungsnetz.

Das Gleichspannungsnetz 2, das einen Energiespeicher 4.1 mit Ladesteuerung und Entladesteuerung und einer Energiequelle 5.1 ebenfalls mit Steuereinheit aufweist, ist an dem Umrichter 7.1 angeschlossen. Über Kopplungsinduktivitäten a ist der Umrichter 7.1 mit dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz 1 verbunden. Zwischen dem Umrichter 7.1 und dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz 1 ist der Verbraucher 6 angeschlossen. Am Netzanschlußpunkt 11 des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes wird der Strom durch eine Meßeinrichtung 10 ermittelt; gleichfalls am Netzanschlußpunkt 11 wird durch die Meßeinrichtung 10 die Spannung im niederfrequenten Wechselspannungsnetz 1 gemessen. Die Meßeinrichtung 10 erfaßt ebenfalls die Spannung 13 des Gleichspannungsnetzes 2. Diese Daten, also die Spannung des Gleichspannungsnetzes, die Spannung am niederfrequenten Wechselspannungsnetz und der Strom am niederfrequenten Wechselspannungsnetz werden von der Steuereinheit 9 erfaßt, durch die zum einen der Umrichter 7.1 und zum anderen der Energiespeicher 4.1 angesteuert wird.

Eine zweite Ausführungsform (Fig. 2) unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß hier das Gleichspannungsnetz 2 durch ein höherfrequentes Wechsel spannungsnetz 3 mit Energiespeicher 4.2 und Energiequelle 5.2 und einen entsprechenden Umrichter 7.2. erweitert wird. In diesem Fall wird auch eine Spannung 12 des Gleichspannungs netzes 3 durch die Meßeinrichtung 10 ermittelt. Die Koppelung des Gleichspannungsnetzes und des höherfrequente Wechselspannungsnetzes erfolgt durch einen Führungs stromrichter 13 (Fig. 2). Die Spannungsmessung erfolgt weiterhin über das Gleichspannungsnetz. In dieser zweiten Ausführungsform kann das niederfrequente Netz 1 sowie der Verbraucher 6 entweder über den Umrichter 7.1 an das Gleichspannungsnetz 2 oder über den Umrichter 7.2 an das höherfrequente Wechselspannungsnetz 3 angeschlossen sein.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Einspeisung von Wirk- und Blindleistung in ein niederfrequentes Wechselspannungsnetz (1), die ein Gleichspannungsnetz (2) mit Energiespeicher (4.1) und Energiequelle (5.1) aufweist, sowie einem Verbraucher (6), gekennzeichnet durch einen an das Gleichspannungsnetz (2) angeschlossenen Umrichter (7.1), der über Kopplungsinduktivitäten (8) mit dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) verbunden ist, wobei der Verbraucher (6) in der Verbindung zwischen dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) und Umrichter (7.1) am Umrichteranschlußpunkt angeschlossen ist, und wobei eine Steuereinheit (9) vorgesehen ist, die mit einer Meßeinrichtung (10) in Verbindung steht, wobei die Meßeinrichtung (10) die Spannung und den Strom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes und die Spannung (12) des Gleichspannungsnetzes (2) erfaßt, wobei bei durch die Meßeinrichtung (10) anhand der Abweichung der Gleichspannung (12) im Gleichspannungsnetz (2) von einem vorgegebenen Wert ermitteltem Leistungsüberschuß durch die Steuereinheit (9) vorgegeben wird, ob die überschüssige Leistung entweder dem Speicher (4.1) oder dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) zuzuführen ist, und wobei für den Fall, daß die überschüssige Leistung teilweise oder vollständig dem Speicher (4.1) zugeführt wird, durch die Steuereinheit (9) der Strom in den Speicher (4.1) so erhöht und gleichzeitig durch Steuerung des Umrichters der Wirkstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) so eingestellt wird, daß die Spannung (12) des Gleichspannungsnetzes (2) konstant bleibt, und wobei für den Fall, daß die überschüssige Leistung dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) zugeführt wird, der Umrichter (7.1) durch die Steuereinheit (9) derart gesteuert wird, daß der Wirkstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) sich so einstellt, daß die Gleichspannung (12) im Gleichspannungsnetz (2) einen bestimmten vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

2. Schaltungsanordnung zur Entnahme von Wirk- und Blindleistung aus einen niederfrequenten Wechsel spannungsnetz (1), die ein Gleichspannungsnetz (2) mit Energiespeicher (4.1) und Energiequelle (5.1) aufweist, sowie einem Verbraucher (6), gekennzeichnet durch einen an das Gleichspannungsnetz (2) angeschlossenen Umrichter (7.1), der über Kopplungsinduktivitäten (8) mit dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) verbunden ist, wobei der Verbraucher (6) in der Verbindung zwischen dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) und Umrichter (7.1) am Umrichteranschlußpunkt angeschlossen ist, und wobei eine Steuereinheit (9) vorgesehen ist, die mit einer Meßeinrichtung (10) in Verbindung steht, wobei die Meßeinrichtung (10) die Spannung und den Strom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) und die Spannung (12) des Gleichspannungsnetzes (2) erfaßt, wobei bei einem durch die Meßeinrichtung (10) anhand der Abweichung der Gleichspannung (12) im Gleichspannungsnetz (2) von einem vorgegebenen Wert ermitteltem Leistungsbedarf durch die Steuereinheit (9) vorgegeben wird, ob die erforderliche Leistung entweder dem Speicher (4.1) oder dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) zu entnehmen ist, und wobei für den Fall, daß die erforderliche Leistung teilweise oder vollständig dem Speicher (4.1) entnommen wird durch die Steuereinheit (9) der Strom aus dem Speicher (4.1) so erhöht und gleichzeitig durch entsprechende Steuerung des Umrichters der Wirkstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) so eingestellt wird, daß die Spannung (12) des Gleichspannungsnetzes (2) konstant bleibt, und wobei für den Fall, daß die erforderliche Leistung dem niederfrequenten Wechselspannungsnetz (1) entnommen wird, der Umrichter (7.1) durch die Steuereinheit (9) derart gesteuert wird, daß der Wirkstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) sich so einstellt, daß die Gleichspannung (12) im Gleichspannungsnetz (2) einen bestimmten vorgegebenen Wert nicht unterschreitet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichspannungsnetz (2) durch einen Führungsstromrichter (13) mit einem höherfrequenten Wechselspannungsnetz (3) gekoppelt ist, wobei das höherfrequente Wechselspannungsnetz (3) Energiespeicher (4.2) und Energiequellen (5.2) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei in der Steuereinheit (9) bekanntem Blindleistungs bedarf des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1), durch die Steuereinheit (9) der Umrichter (7.1) so gesteuert wird, daß sich der geforderte netzfrequente Blindstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) einstellt, und daß bei einer zeitlich veränderlichen Differenz zwischen Leistungsbedarf und Leistungsüberschuß im System die Steuereinheit (9) den Energiefluß des an das Gleichspannungsnetz (2) angeschlossenen Speichers (4.1) so steuert, daß der Wirkstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) über einen ausreichend großen Zeitbereich konstant bleibt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß bei in der Steuereinheit (9) bekanntem Blindleistungs bedarf des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) durch die Steuereinheit (9) der Umrichter (7.2) so gesteuert wird, daß sich der geforderte netzfrequente Blindstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes einstellt, und daß bei einer zeitlich veränderlichen Differenz zwischen Leistungsbedarf und Leistungsüberschuß im System die Steuereinheit (9) den Energiefluß der an das höherfrequente Wechselspannungsnetz (3) über den Umrichter (7.2) angeschlossenen Speichers (4.2) so steuert, daß der Wirkstrom am Anschlußpunkt (11) des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) über einen ausreichend großen Zeitbereich konstant bleibt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (7.1) bei Anschluß an das Gleichspannungsnetz (2) als Pulswechselrichter ausgebildet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (7.2) bei Anschluß an das höherfrequente Wechselspannungsnetz (3) als Matrixconverter, bei dem jeder Eingangsanschlußpunkt über einen sperrfähigen leistungselektronischen Schalter mit jedem Ausgangsanschlußpunkt verbunden ist, ausgebildet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (12) des Gleichspannungsnetzes (2) größer als der Spitzenwert der verketteten Spannung des niederfrequenten Wechselspannungsnetzes (1) ist.