DE4413440C2 - Schaltungsanordnung zur netzfreundlichen Energieeinspeisung einer Wechselrichteranlage in ein Drehstromnetz - Google Patents

Schaltungsanordnung zur netzfreundlichen Energieeinspeisung einer Wechselrichteranlage in ein Drehstromnetz

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur netzfreundlichen, d. h. oberschwingungsarmen und blindleistungsminimierbaren Energieeinspeisung einer Wechselrichteranlage in ein Drehstromnetz.
Bevorzugte Anwendungsgebiete sind der Einsatz in Windenergieanlagen großer Leistung, Windparks sowie für Wellengeneratoranlagen an Bord von Schiffen.
Es ist bekannt, indirekte Umrichter zur Kopplung von Elektroenergieerzeugungsanlagen mit elektrischen Netzen einzusetzen. Der ausgangsseitige netzgeführte, netzgelöschte Wechselrichter prägt den m Strängen des elektrischen Netzes um jeweils 360°/m phasenverschobene rechteckförmige Wechselströme auf. Die Grundschwingungen der Wechselströme sind gegenüber den Strangspannungen des elektrischen Netzes um den Steuer- und halben Kommutierungswinkel des Wechselrichters phasenverschoben, so daß der Wechselrichter eine induktive Blindleistungsbelastung des Netzes darstellt. Der Oberschwingungsanteil der Strangströme ist Ursache für Verzerrungen der Netzspannungen sowie für Zusatzverluste.
In den Patentschriften US 4.849.870 und US 3.876.923 sind Wechselrichteranlagen beschrieben, die eine Reduzierung des Oberschwingungsanteils der drehstromseitigen Strangströme durch Parallelschalten mindestens zweier netzgelöschter Wechselrichter als Zielstellung haben. Das Parallelschalten erfolgt entweder direkt auf der Gleichstromseite und indirekt über speziell auszulegende Induktivitäten auf der Drehstromseite oder direkt auf der Drehstromseite und indirekt über gesonderte gesteuerte Gleichrichter auf der Gleichstromseite. Abgesehen vom schaltungstechnischen Aufwand dieser bekannten Wechselrichteranlagen, haben sie den Nachteil, daß sie induktive Blindleistung zur Kompensation ihrer Kommutierungs- und Steuerblindleistung auf der Drehstromseite benötigen.
Das technische Problem der Erfindung besteht darin, die Blindleistungs- und Oberschwingungsbelastung unabhängig vom Steuer- und Kommutierungswinkel des Wechselrichters zu minimieren.
Das Problem wird dadurch gelöst, daß dem netzgeführten, netzgelöschten Wechselrichter mit dem Steuerwinkel ß₁ ein netzgeführter, selbstgelöschter Wechselrichter mit dem Steuerwinkel ß₂ parallel geschaltet wird, wobei bei verzögerungsfreier Kommutierung, d. h., daß wegen fehlender Induktivitäten bei der Kommutierung der rechteckförmigen Wechselströme der jeweilige Stromstieg bzw. Stromabfall in der Zeit Null erfolgt, der Steuerwinkel ß₂ = -ß₁ ist. Bei nichtverzögerungsfreier Kommutierung des netzgelöschten Wechselrichters, d. h., daß wegen vorhandener Induktivitäten bei der Kommutierung der rechteckförmigen Wechselströme der jeweilige Stromstieg bzw. Stromabfall nicht in der Zeit Null erfolgen kann, wird ß₂ = -ß₁ + ßR in Abhängigkeit vom eingangsseitigen Gleichstrom des netzgelöschten Wechselrichters so gewählt, daß der eingangsseitige Gleichstrom des selbstgelöschten Wechselrichters gleich dem eingangsseitigen Gleichstrom des netzgelöschten Wechselrichters ist.
Diese Kombination eines netzgeführten, netzgelöschten Wechselrichters mit einem netzgeführten, selbstgelöschten Wechselrichter zeichnet sich durch folgende Vorteile gegenüber einem alleinigen netzgeführten, netzgelöschten Wechselrichter aus:
  • - Die neuartige Schaltungsanordnung benötigt keine Steuerblindleistung.
  • - Die Oberschwingungen der Strangströme können auf ca. 50% reduziert werden, wodurch die Verzerrungen der Netzspannungen und die Zusatzverluste an den Netzimpedanzen wesentlich verringert werden. Die Oberschwingungen werden noch weiter reduziert, wenn die Schaltungsanordnung durch weitere parallel geschaltete Wechselrichter erweitert wird.
  • - Aufgrund der neuen technischen Parameter der Wechselrichteranlage ist ihr Einsatz in neuen Bereichen der Energieeinspeisung, z. B. in Windenergieanlagen großer Leistung, Windparks sowie für Wellengeneratoranlagen an Bord von Schiffen, geeignet. Vorteilhaft wird dabei die Schaltungsanordnung mit konstantem Steuerwinkel ß₁ in einem indirekten Umrichter mit einem Gleichstrom-Pulssteller im Gleichstrom-Zwischenkreis betrieben, wie beispielsweise in einer pulsgesteuerten unter- oder übersynchronen Stromrichter­ kaskade.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines indirekten Umrichters mit einem netzgeführten, netzgelöschten Wechselrichter zur Kopplung von Elektroenergie­ erzeugungsanlagen mit einem elektrischen Netz,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung der parallelgeschalteten Wechselrichter im indirekten Umrichter,
Fig. 3 eine Darstellung der zeitlichen Verläufe der Netzstrangspannungen und -ströme.
In Fig. 1 ist ein bekannter indirekter Umrichter, bestehend aus Gleichrichtern 1, über die verschiedene Elektroenergieerzeuger 2 in den Gleichstromzwischenkreis 3 einspeisen, dem Gleichstromzwischenkreis 3 sowie einem Wechselrichter 4, der die zu übertragende Leistung in das Drehstromnetz 5 mit den Strängen L₁, L₂, L₃ einspeist, dargestellt.
In Fig. 2 ist der Wechselrichter 4a ein netzgelöschter, der den Strängen L₁, L₂, L₃ des Drehstromnetzes 5 jeweils einen Strom i₁ aufprägt, während der Wechselrichter 4b ein selbstgelöschter Wechselrichter, der den Strängen L₁, L₂, L₃ des Drehstromnetzes 5 jeweils einen Strom i₂ aufprägt, ist.
Fig. 3 zeigt die zeitlichen Verläufe der Ströme in bezug auf die Strangspannung des Netzes 5. Der Strom i₁ des netzgelöschten Wechselrichters 4a setzt sich aus den Strömen i1,L1, i1,L2, i1,L3 der Stränge des Netzes 5 zusammen.
Jeder dieser Ströme i1,L1, i1,L2, i1,L3 der Stränge des Netzes 5 ist gegenüber den Strangspannungen um den Winkel β₁ phasenverschoben. Um diesen Winkel β₁ ist der Einschalt- bzw. Zündzeitpunkt der Ströme i1,L1, i1,L2, i1,L3 der Stränge des Netzes 5 gegenüber den Schnittpunkten der Halbschwingungen der Strangspannungen zeitlich verschoben bzw. verfrüht und wird deshalb als Steuerwinkel oder auch als Zünd- oder Zündverfrühungswinkel definiert. Bei Netzlöschung muß dieser Steuerwinkel β₁ größer oder gleich null (positiv) sein, bei netzunabhängiger Löschung, d. h. Selbstlöschung, darf der Steuerwinkel kleiner als null (negativ) sein, dargestellt durch den Steuerwinkel β₂ des selbstgelöschten Wechselrichters 4b.
Entsprechendes, wie für den netzgelöschten Wechselrichter 4a, gilt für den selbstgelöschten Wechselrichter 4b in bezug auf dessen Strom i₂ mit den Teilkomponenten i2,L1, i2,L2, i2,L3.
Die Summe iL der jeweiligen Strangströme beider Wechselrichter 4a, 4b ist am Beispiel für den Strang L1 des Netzes 5 dargestellt:
iL = iL1 = i1,L1+i2,L1

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur oberschwingungsarmen und blindleistungsminimierbaren Energieeinspeisung einer Wechselrichteranlage mit mindestens zwei parallelgeschalteten Wechselrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß einem netzgeführten, netzgelöschten Wechselrichter (4a) mit einem Steuerwinkel β₁ ein netzgeführter, selbstgelöschter Wechselrichter (4b) mit einem Steuerwinkel β₁ parallel geschaltet ist, wobei bei einer verzögerungsfreien Kommutierung β₂ = -β₁ ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei nichtverzögerungsfreier Kommutierung des netzgelöschten Wechselrichters (4a) β₂ = -β₁+βR in Abhängigkeit vom eingangsseitigen Gleichstrom des netzgelöschten Wechselrichters (4a) so gewählt ist, daß der eingangsseitige Gleichstrom des selbstgelöschten Wechselrichters (4b) gleich dem eingangsseitigen Gleichstrom des netzgelöschten Wechselrichters (4a) ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch weitere parallel geschaltete Wechselrichter (4a; 4b) erweitert wird.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit konstantem Steuerwinkel β₁ in einem beliebigen indirekten Umrichter mit einem Gleichstrom-Pulssteller im Gleichstrom-Zwischenkreis betrieben wird.
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US4849870A (en) * 1988-01-25 1989-07-18 Westinghouse Electric Corp. Method of operating a-c drive with parallel connected d-c link power converters

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