EP3912247A1 - Filtervorrichtung für ein energienetz und verfahren zum betrieb einer filtervorrichtung - Google Patents

Filtervorrichtung für ein energienetz und verfahren zum betrieb einer filtervorrichtung

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Publication number
EP3912247A1
EP3912247A1 EP20700898.8A EP20700898A EP3912247A1 EP 3912247 A1 EP3912247 A1 EP 3912247A1 EP 20700898 A EP20700898 A EP 20700898A EP 3912247 A1 EP3912247 A1 EP 3912247A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filter
parameter
filter device
stage
resonance frequency
Prior art date
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Pending
Application number
EP20700898.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger KRETZSCHMAR
Matthias JACOBI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
Original Assignee
Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG filed Critical Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Publication of EP3912247A1 publication Critical patent/EP3912247A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/01—Arrangements for reducing harmonics or ripples
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • H02J3/1828—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepwise control, e.g. switched capacitor banks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30—Reactive power compensation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/40—Arrangements for reducing harmonics

Definitions

  • the invention relates to a filter device for an energy network and a method for operating such a filter device.
  • Filter devices for energy networks can be used to reduce unwanted components, such as harmonics or distortions in the mains voltage or in the mains current.
  • the filter device has a resonance frequency which, for example, approximately corresponds to a tuning frequency, that is to say a frequency of vibration components to be damped. The closer the resonance and tuning frequencies are to each other, the greater the power consumption of the filter device.
  • Known passive filter circuits can be difficult to regulate due to the defined resonance frequency, since the filter circuits can interact with the energy network and are generally designed for the specific network and load conditions. This applies in particular to multi-stage filter circuits to reduce harmonics with several different frequencies.
  • the systems generally have a large, in particular unnecessary or even harmful, fundamental vibration reactive power due to the three-phase power capacitors used with large capacities that are required to be able to carry the maximum filter currents.
  • a filter circuit can even increase the harmonics that are actually to be damped due to changes in the network surrounding the energy network or aging-related changes in the resonance frequency. This also leads to losses, accelerated aging and at worst come to irreversible damage to the filter circuit.
  • the improved concept is based on the idea of determining a virtual, i.e. apparent, load parameter based on a network parameter and a filter parameter.
  • the filter circuit can be detuned more, in particular by connecting a capacitive or inductive component or a resistance component.
  • a filter device for an energy network includes a control unit and a filter stage with a first inductive component and a first capacitive component connected in series therewith.
  • the control unit is set up to record at least one electrical network parameter of the energy network and at least one electrical filter parameter of the filter device, in particular to continuously record or monitor it, to determine at least one electrical load parameter based on the at least one network parameter and the at least one filter parameter and, depending on the at least one load parameter, to change a resonance frequency of the filter stage.
  • control unit is set up to change the resonance frequency in such a way that detuning of the filter stage is thereby increased.
  • the filter device also comprises a second capacitive component, the control unit being set up to connect the second capacitive component to the filter stage, in particular parallel to the first capacitive component, or to separate it from the filter stage in order to change the resonance frequency.
  • the filter device comprises a second inductive component, the control unit being set up to connect the second inductive component to the filter stage or to separate it from the filter stage in order to change the resonance frequency.
  • the filter stage comprises an adjustable throttle.
  • the first and second inductive components are components, for example winding parts, of the adjustable choke.
  • the first inductive component corresponds to a main winding of the controllable choke and the second inductive component of a control winding or part of a control winding of the controllable choke.
  • controllable choke comprises a switching arrangement for the uninterrupted connection or disconnection of the control winding or part of the control winding to or from the main winding.
  • the switch arrangement comprises one or more contactors, one or more circuit breakers and / or an on-load tap changer.
  • the filter device also comprises a resistance component, in particular an ohmic resistance, the control unit being set up to connect the resistance component to the filter stage, in particular in series with the first inductive component, or to separate it from the filter stage in order to change the resonance frequency.
  • a resistance component in particular an ohmic resistance
  • the boarding or disconnection takes place second capacitive component, the second inductive component and / or the resistance component without interruption, that is to say without the filter stage being disconnected from the energy network.
  • the at least one network parameter comprises an amplitude or a phase of a network voltage, in particular a portion of the network voltage which corresponds to an harmonic assigned to the filter stage.
  • the at least one network parameter comprises an amplitude or a phase of a network current, in particular a portion of the network current which corresponds to a harmonic assigned to the filter stage.
  • the at least one filter parameter comprises an amplitude or a phase of a filter current or a filter voltage.
  • the filter current is a current that flows through a component of the filter device, for example a capacitive component, one or more of the inductive components or the resistance component.
  • the filter voltage is a voltage that drops across a component of the filter device ⁇ .
  • control unit is set up to determine the at least one load parameter based on an amplitude comparison and / or a phase comparison between the at least one network parameter and the at least one filter parameter.
  • the at least one load parameter comprises an amplitude or a phase of an apparent load current or an apparent load voltage.
  • the apparent load current and / or the apparent load voltage can be determined by the control unit from the amplitude and / or the phase comparison.
  • control unit is set up to increase detuning of the filter stage by changing the resonance frequency, in particular if an amplitude of the filter current is greater than one Amplitude of the apparent load current.
  • the filter stage effects an effective amplification of those harmonics that should actually be damped by it. This is at least partially compensated for by the greater detuning.
  • control unit is set up to reduce detuning of the filter stage by changing the resonance frequency, in particular if a predetermined limit value for a harmonic component is exceeded.
  • the filter effect is not sufficient. This is at least partially compensated for by reducing the tuning, ie tightening the tuning, and increasing the resonance frequency accordingly.
  • the at least one load parameter comprises a total capacity of the filter stage.
  • control unit is set up to increase a detuning of the filter stage by changing the resonance frequency if a predetermined limit value for the total capacity of the filter stage is undershot.
  • the filter device comprises one or more further filter stages which are designed ⁇ analogously to the filter stage.
  • each further filter stage has a further first inductive component and a further first capacitive component connected in series therewith.
  • the control unit is set up to change a resonance frequency of the further filter stage as a function of the at least one load parameter, the change in the resonance frequency of the filter stage taking place simultaneously or synchronized with the change in the resonance frequency of the further filter stage.
  • the filter stage and each of the further filter stages are each assigned different harmonics.
  • the resonance frequencies of the filter stage and those of the other filter stages are correspondingly different.
  • the energy network has at least two Phases on.
  • the inductive component and the first capacitive component are connected in series between the energy network, in particular a phase of the energy network, and a star point ⁇ of the filter device.
  • the inductive component and the first capacitive component are connected between two of the at least two phases of the energy network.
  • a method for operating a filter device for an energy network comprises a filter stage with a first inductive component and a first capacitive component connected in series therewith.
  • the filter device is designed as a filter device according to the improved concept.
  • the method includes detecting at least one electrical network parameter of the energy network and at least one electrical filter parameter of the filter device, determining at least one electrical load parameter based on the at least one network parameter and the at least one filter parameter and changing a resonance frequency of the filter stage depending on the at least one a load parameter.
  • Figure 1 a shows an exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept
  • FIG. 1b shows an exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept
  • 1 c shows an exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept
  • Figure 2 shows another exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept.
  • FIG. 1 a shows ⁇ an exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept with a filter base.
  • the filter feet comprise an inductive component LI, which is connected via a switch S1 1 to a first phase PI of an energy network E, which may have further phases P2, P3, for example.
  • the Filfsfufe or their components are designed such that they can dampen a predetermined harmonic of the energy network E.
  • the Filferfufe also ⁇ comprises a first capacitive component O l l, which is arranged in series between the inductive component LI and a remote point SP, ie a new point, the filter device.
  • the filter stage comprises a second capacitive component CI 2, which can be switched in parallel with the first capacitive component CI 1 via a switch S12.
  • the filter device also has a control unit S, which is coupled to the energy network E and the Filfersfufe via corresponding measuring units (not shown), for example to detect or monitor a Nefzsfrom IN and a Filfersfrom IF.
  • the control unit S can detect or monitor a mains voltage UN.
  • the switch S12 is open, for example, and the second capacitive component C12 is therefore separated from the filter stage.
  • a resonance frequency of the filter stage is then given by the inductance of the inductive component LI and the capacitance of the first capacitive component CI 1. These are dimensioned in such a way that the filter stage is slightly out of tune compared to the harmonic to be damped, in particular is somewhat lower than the frequency of the harmonic, ie the tuning frequency. This avoids excessive power consumption of the filter stage and thus a corresponding overload of the inductive or capacitive components of the filter stage.
  • the distance between the resonance frequency and the tuning frequency may change during operation. This can be caused, for example, by age-related changes in the capacitance of the first capacitive component CI 1 and / or the inductance of the inductive component LI. Another cause can be fluctuations in the energy network E. This can lead to an increased power consumption of the filter stage and ultimately to an undesirable amplification of the harmonic instead of the desired damping.
  • the control unit S can continuously detect the currents IN, IF, in particular, during operation of the filter device and determine a resulting virtual or apparent load current based thereon. In particular, the control unit S evaluates the amplitudes and / or phases of the currents IN, IF, in particular those frequency components of the currents IN, IF which correspond to the harmonic to be damped.
  • the control unit S can actuate the switch S12 depending on the apparent load current and thus switch the second capacitive component 012 of the filter stage. In particular, this can take place if the apparent load current exceeds a threshold value, in particular if the amplitude of the apparent load current exceeds the amplitude of the filter current IF.
  • the latter indicates, for example, an amplification of the harmonic.
  • control unit S can determine a capacity of the filter stage from the mains voltage UN and the filter current IF.
  • the control unit S can operate the switch S12 depending on the capacity of the filter stage so switch on the second capacitive component CI 2 of the filter stage. In particular, this can take place if the capacitance falls below a threshold value. The latter indicates, for example, significant aging or damage to the capacitive component CI 1.
  • the resonance frequency can also be reduced by connecting a second inductive component (see FIG. 1 c) and / or a resistor (see FIG. 1 b) to the filter stage.
  • control unit S can open the switch S12 in order to separate the second capacitive component C 12 from the filter stage.
  • the second capacitive component CI 2 can be separated from the filter stage if the filter effect of the filter stage is not sufficient ⁇ to achieve a sufficiently strong damping of the harmonic.
  • Figure 1 b shows a further exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept, which is based on the embodiment of Figure 1 a.
  • Figure 1 c shows another exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept, which is based on the embodiment of Figure 1 a.
  • the inductance of the inductive component LI can be changed without interruption here.
  • the inductive component LI is designed as an adjustable choke.
  • Figure 2 shows another exemplary embodiment of a filter device according to the improved concept, which is based on the embodiment of Figure 1 a.
  • the inductive component LI and the capacitive components CI 1, C12 represent a first group of the filter stage (hereinafter “first filter stage”).
  • the first filter stage also has a second group with an inductive component L2 and two capacitive components Components C21, C22 and a switch S22, which, like the components of the first group, are connected between the first phase PI and the star point ⁇ SP.
  • the first filter stage can have, for example, a switch S13, which is connected between the inductive component LI and capacitive components C I 1, C 12 to the first group and between inductive component L2 and capacitive components C21, C22 to the second group.
  • the first filter stage can have, for example, a switch S23, which is connected between inductive component L2 and capacitive components C21, C22 to the second group and between inductive component L3 and capacitive components C31, C32 to the second group.
  • the second and third groups allow the total capacitance and the total inductance and thus the resonance frequency of the first filter stage to be adapted to the specific application.
  • the control unit is set up to switch S22 and S32 simultaneously the switch S12 to operate.
  • the functionality of the first filter stage is therefore referred to the explanations for FIG. 1 a.
  • the filter device can have, for example, a second filter stage.
  • the second filter stage has a first group of inductive and capacitive components and switches L4, C41, C42, S42, S43 and a second group of inductive and capacitive components and switches L5, C51, C52, S52.
  • the groups of the second filter stage are structurally identical to the first and second groups of the first filter stage. However, the individual capacitance and inductivity values in the second filter stage can be different from those in the first filter stage in order to dampen another harmonic.
  • the control unit can operate the switches S42, S52 analogously to the corresponding switches of the first filter mare.
  • the functionality of the second filter stage reference is therefore made to the comments on FIG. 1a.
  • the filter device can have, for example, a third filter stage.
  • the third filter stage has a group of inductive and capacitive components and switches L6, C61, C62, S62 aut.
  • the group of the third filter stage is structurally identical to the first group of the first filter stage.
  • the individual capacitance and inductance values in the third filter stage can, however, be different from those of the first filter stage in order to in turn damp another harmonic.
  • the control unit can operate the switch S62 in the same way as the corresponding switches of the first filter mare.
  • the functionality of the third filter stage is therefore referred to the explanations for FIG. 1 a.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Eine Filtervorrichtung für ein Energienetz (E) beinhaltet eine Steuereinheit (S) sowie eine Filterstufe mit einer ersten induktiven Komponente (L1) und einer damit in Reihe geschalteten ersten kapazitiven Komponente (C12). Die Steuereinheit (S) ist dazu eingerichtet, eine elektrische Netzkenngröße (IN, UN) und eine elektrische Filterkenngröße (IF) der Filtervorrichtung zu erfassen, basierend darauf eine elektrische Lastkenngröße zu bestimmen und, abhängig von der Lastkenngröße, eine Resonanzfrequenz der Filterstufe zu verändern.

Description

FILTERVORRICHTUNG FÜR EIN ENERGIENETZ UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER FIL TERVORRICHTUNG
Die Erfindung betriff† eine Filfervorrichfung für ein Energienetz sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Filfervorrichfung.
Filfervorrichfungen für Energienetze, beispielsweise passive Filferkreise, können dazu eingesetzt werden, unerwünschte Anteile, etwa Oberschwingungen oder Verzerrungen in der Netzspannung oder im Netzstrom, zu verringern. Die Filtervor richtung weist dabei eine Resonanzfrequenz auf, welche beispielsweise nähe rungsweise einer Abstimmfrequenz, also einer Frequenz von zu dämpfenden Schwingungsanteilen, entspricht. Eine Leistungsaufnahme der Filtervorrichtung ist typischerweise umso größer, je näher Resonanz- und Abstimmfrequenz beieinan derliegen.
Bekannte passive Filterkreise können aufgrund der festgelegten Resona nzfreq uenz schlecht regelbar sein, da die Filterkreise mit dem Energienetz interagieren können und in der Regel für die konkreten Netz- und Lastverhältnisse ausgelegt sind. Dies gilt insbesondere für mehrstufige Filterkreise zur Reduzierung von Oberschwingun gen mit mehreren verschiedenen Frequenzen. Die Anlagen haben in der Regel eine große, insbesondere unnötige oder sogar schädliche Grundschwingungs blindleistung aufgrund der verwendeten Drehstromleistungskondensatoren mit großen Kapazitäten, die benötigt werden, um die maximalen Filterströme tragen zu können.
Die Saugwirkung der bekannten Filterkreise ist nicht variabel, sondern auf eine ma ximale Oberschwingungsbelastung ausgelegt. Somit wird in der Regel mehr Ober schwingungsstrom abgesaugt als nötig wäre um die Grenzwerte einer zulässigen Spannungsverzerrung einzuhalten. Dies führt zu unnötigen Verlusten und beschleu nigter Alterung der Filterkreise.
Gegebenenfalls kann ein Filterkreis aufgrund von Veränderungen im Energienetz umgebenden Netz oder alterungsbedingten Änderungen der Resonanzfrequenz sogar zur Verstärkung der eigentlich zu dämpfenden Oberschwingungen führen. Dies führt zu ebenfalls zu Verlusten, beschleunigter Alterung und schlimmstenfalls komm† zur irreversiblen Beschädigung des Filterkreises.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur Filterung für ein Energienetz anzugeben, welches die Lebensdauer des Filterkreises verlängert.
Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprü che gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprü che.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, eine virtuelle, also scheinbare, Last kenngröße ausgehend von einer Netzkenngröße sowie einer Filterkenngröße zu bestimmen. Abhängig von der Lastkenngröße kann der Filterkreis stärker verstimmt werden, insbesondere durch Zuschalten einer kapazitiven oder induktiven Kompo nente oder einer Widerstandskomponente.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Filtervorrichtung für ein Energienetz angegeben. Die Filtervorrichtung beinhaltet eine Steuereinheit sowie eine Filter stufe mit einer ersten induktiven Komponente und einer damit in Reihe geschalte ten ersten kapazitiven Komponente. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, we nigstens eine elektrische Netzkenngröße des Energienetzes und wenigstens eine elektrische Filterkenngröße der Filtervorrichtung zu erfassen, insbesondere kontinu ierlich zu erfassen oder zu überwachen, basierend auf der wenigstens einen Netz kenngröße und der wenigstens einen Filterkenngröße wenigstens eine elektrische Lastkenngröße zu bestimmen und, abhängig von der wenigstens einen Lastkenn größe, eine Resonanzfrequenz der Filterstufe zu verändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Filtervorrichtung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Resonanzfrequenz derart zu verändern, dass dadurch eine Verstimmung der Filterstufe vergrößert wird.
Dadurch kann beispielsweise eine Alterung der Filterstufe, insbesondere der kapa zitiven Komponente, kompensiert werden. Durch Alterung der kapazitiven Kompo nente kann ihre Kapazität reduziert werden, was zu einem Anstieg der Resonanz frequenz führt, also insbesondere zu einer Annäherung der Resonanzfrequenz an die Absfimmfrequenz. Durch Reduktion der Resonanzfrequenz kann dieser Vor gang zumindest teilweise ausgeglichen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfass† die Filfervorrichfung außerdem eine zweite kapazitive Komponente, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die zweite kapazitive Komponente der Filterstufe zuzuschalten, insbesondere pa rallel zur ersten kapazitiven Komponente, oder von der Filterstufe zu trennen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filtervorrichtung eine zweite induktive Komponente, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die zweite induktive Komponente der Filterstufe zuzuschalten oder von der Filterstufe zu tren nen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filterstufe eine regelbare Drossel. Die erste und die zweite induktive Komponente sind Bestandteile, bei spielsweise Wicklungsteile, der regelbaren Drossel. Insbesondere entspricht die erste induktive Komponente einer Stammwicklung der regelbaren Drossel und die zweite induktive Komponente einer Regelwicklung oder einem Teil einer Regel wicklung der regelbaren Drossel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die regelbare Drossel eine Schaltanordnung zum unterbrechungslosen Zu- oder Abschalten der Regelwick lung oder des Teils der Regelwicklung zu beziehungsweise von der Stammwick lung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Schalteranordnung ein oder mehrere Schütze, einen oder mehrere Leistungsschalter und/oder einen Laststu fenschalter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filtervorrichtung außerdem eine Widerstandskomponente, insbesondere einen ohmschen Widerstand, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Widerstandskomponente der Filterstufe zuzuschalten, insbesondere in Reihe zu der ersten induktiven Komponente, oder von der Filterstufe zu trennen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolg† das Zuschalfen oder Trennen der zweiten kapazitiven Komponente, der zweiten induktiven Komponente und/oder der Widerstandskomponente unterbrechungsfrei, also ohne dass die Filterstufe dazu vom Energienetz getrennt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Netzkenn größe eine Amplitude oder eine Phase einer Netzspannung, insbesondere eines Anteils der Netzspannung, welcher einer der Filterstufe zugeordneten Oberschwin gung entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Netzkenn größe eine Amplitude oder eine Phase eines Netzstromes, insbesondere eines An teils des Netzstromes, welcher einer der Filterstufe zugeordneten Oberschwingung entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Filterkenn größe eine Amplitude oder eine Phase eines Filterstroms oder einer Filterspannung.
Bei dem Filterstrom handelt es sich um einen Strom, der über eine Komponente der Filtervorrichtung fließt, beispielsweise eine kapazitive Komponenten, eine oder mehrere der induktiven Komponenten oder die Widerstandskomponente. Bei der Filterspannung handelt es sich um eine Spannung, die über einer Komponente der Filtervorrichtung abfäll†.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die wenigstens eine Lastkenngröße basierend auf einem Amplitudenvergleich und/oder einem Phasenvergleich zwischen der wenigstens einen Netzkenngröße und der wenigstens einen Filterkenngröße zu bestimmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Lastkenn größe eine Amplitude oder eine Phase eines scheinbaren Laststroms oder einer scheinbaren Lastspannung. Der scheinbare Laststrom und/oder die scheinbare Lastspannung können dabei von der Steuereinheit aus dem Amplituden- und/o der Phasenvergleich bestimmt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, durch das Verändern der Resonanzfrequenz eine Verstimmung der Filterstufe zu vergrößern, insbesondere wenn eine Amplitude des Filterstroms größer ist als eine Amplitude des scheinbaren Laststroms.
Ist dies nämlich der Fall, so bewirkt die Filterstufe eine effektive Verstärkung derjeni gen Oberschwingungen, die eigentlich durch sie gedämpft werden sollte. Durch die stärkere Verstimmung wird dies wenigstens zum Teil kompensiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, durch das Verändern der Resonanzfrequenz eine Verstimmung der Filterstufe zu verringern, insbesondere wenn ein vorbestimmter Grenzwert für einen Ober schwingungsanteil überschritten wird.
In einem solchen Fall reicht die Filterwirkung nicht aus. Durch Verringerung der Ver stimmung, also Verschärfung der Abstimmung, und entsprechende Erhöhung der Resonanzfrequenz, wird dies zumindest zum Teil kompensiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die wenigstens eine Lastkenn größe eine Gesamtkapazität der Filterstufe.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, durch das Verändern der Resonanzfrequenz eine Verstimmung der Filterstufe zu vergrößern wenn ein vorbestimmter Grenzwert für die Gesamtkapazität der Filter stufe unterschritten wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Filtervorrichtung eine oder mehrere weitere Filterstufen, die analog zu der Filterstufe ausgestalte† sind. Insbe sondere weist jede weitere Filterstufe eine weitere erste induktive Komponente und eine damit in Reihe geschaltete weitere erste kapazitive Komponente auf.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, abhängig von der wenigstens einen Last kenngröße eine Resona nzfreq uenz der weiteren Filterstufe zu verändern, wobei die Veränderung der Resonanzfrequenz der Filterstufe gleichzeitig oder synchronisiert mit der Veränderung der Resonanzfrequenz der weiteren Filterstufe erfolgt.
Die Filterstufe und jede der weiteren Filterstufen sind jeweils unterschiedlichen Oberschwingungen zugeordnet. Entsprechend sind die Resona nzfreq uenzen der Filterstufe und die der weiteren Filterstufen jeweils unterschiedlich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Energienetz mindestens zwei Phasen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die induktive Komponente und die erste kapazitive Komponente zwischen dem Energienetz, insbesondere einer Phase des Energienetzes, und einem Sternpunk† der Filtervorrichtung in Reihe ge schaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die induktive Komponente und die erste kapazitive Komponente zwischen zwei der mindestens zwei Phasen des Ener gienetzes geschaltet.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer Fil tervorrichtung für ein Energienetz angegeben. Die Filtervorrichtung umfasst eine Filterstufe mit einer ersten induktiven Komponente und einer damit in Reihe ge schalteten ersten kapazitiven Komponente. Insbesondere ist die Filtervorrichtung als Filtervorrichtung gemäß dem verbesserten Konzept ausgebildet. Das Verfahren beinhaltet ein Erfassen wenigstens einer elektrischen Netzkenngröße des Energie netzes und wenigstens einer elektrischen Filterkenngröße der Filtervorrichtung, ein Bestimmen wenigstens einer elektrischen Lastkenngröße basierend auf der wenigs tens einen Netzkenngröße und der wenigstens einen Filterkenngröße und ein Ver ändern einer Resonanzfrequenz der Filterstufe abhängig von der wenigstens einen Lastkenngröße.
Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Filtervorrich tung. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich Filtervorrichtung beschriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Ver fahrens entsprechend implementiert sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identi schen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffol genden Figuren wiederholt. Es zeigen
Figur 1 a eine beispielhafte Ausführungsform einer Filfervorrichfung nach dem verbesserten Konzept;
Figur 1 b eine beispielhafte Ausführungsform einer Filfervorrichfung nach dem verbesserten Konzept;
Figur 1 c eine beispielhafte Ausführungsform einer Filfervorrichfung nach dem verbesserten Konzept; und
Figur 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept.
Figur 1 a zeig† eine beispielhafte Ausführungsform einer Filfervorrichfung nach dem verbesserten Konzept mit einer Filfersfufe.
Die Filfersfufe umfass† eine induktive Komponente LI , welche über einen Schalter S1 1 mit einer ersten Phase PI eines Energienetzes E verbunden ist, welches bei- spielsweise weitere Phasen P2, P3 aufweisen kann. Die Filfersfufe beziehungsweise ihre Komponenten sind derart ausgelegf, dass sie eine vorbesfimmfe Oberschwin gung des Energienetzes E dämpfen kann. Die Filfersfufe umfass† außerdem eine erste kapazitive Komponente O l l , welche in Reihe zwischen der induktiven Kom ponente LI und einem Sfernpunkf SP, also einem Neufralpunkf, der Filfervorrich- fung angeordnef ist. Alternativ kann die erste kapazitive Komponente CI 1 in
Reihe zwischen der induktiven Komponente LI und einer der weiteren Phasen P2, P3 geschaltet sein. Des Weiteren umfasst die Filterstufe eine zweite kapazitive Komponente CI 2, welche über einen Schalter S12 parallel zu der ersten kapaziti ven Komponente C I 1 schaltbar ist. Die Filfervorrichfung weis† außerdem eine Steuereinheit S auf, welche mit dem Energienetz E und der Filfersfufe über entsprechende Messeinheiten (nicht ge zeigt) gekoppelt ist um beispielsweise einen Nefzsfrom IN und einen Filfersfrom IF zu erfassen oder zu überwachen. Optional kann die Steuereinheit S eine Netzspan nung UN erfassen oder überwachen. Im Normalbetrieb ist der Schalter S12 beispielsweise geöffnet und die zweite kapa zitive Komponente C12 daher von der Filterstufe getrennt. Eine Resona nzfreq uenz der Filterstufe ist dann gegeben durch die Induktivität der induktiven Komponente LI und die Kapazität der ersten kapazitiven Komponente CI 1 . Diese sind derart di mensioniert, dass die Filterstufe im Vergleich zu der zu dämpfenden Oberschwin gung leicht verstimmt ist, insbesondere etwas niedriger ist als die Frequenz der Oberschwingung, also die Abstimmfrequenz. Dadurch wird eine zu hohe Leistungs aufnahme der Filterstufe und damit eine entsprechende Überlastung der indukti ven oder kapazitiven Komponenten der Filterstufe vermieden.
Im Laufe des Betriebs kann sich der Abstand zwischen Resonanzfrequenz und Ab stimmfrequenz verändern. Dies kann beispielsweise durch alterungsbedingte Än derungen der Kapazität der ersten kapazitiven Komponente CI 1 und/oder der In duktivität der induktiven Komponente LI versursacht werden. Eine andere Ursache können Schwankungen im Energienetz E sein. Dadurch kann es zu einer erhöhten Leistungsaufnahme der Filterstufe und schließlich auch zu einer unerwünschten Verstärkung der Oberschwingung anstelle der erwünschten Dämpfung kommen.
Die Steuereinheit S kann im Betrieb der Filtervorrichtung die Ströme IN, IF insbeson dere kontinuierlich erfassen und basierend darauf einen resultierenden virtuellen oder scheinbaren Laststrom bestimmen. Insbesondere wertet die Steuereinheit S dazu die Amplituden und/oder Phasen der Ströme IN, IF aus, insbesondere derjeni gen Frequenzanteile der Ströme IN, IF, die der zu dämpfenden Oberschwingung entsprechen.
Die Steuereinheit S kann abhängig von dem scheinbaren Laststrom den Schalter S12 betätigen und so die zweite kapazitive Komponente 012 der Filterstufe zu schalten. Insbesondere kann dies erfolgen, wenn der scheinbare Laststrom einen Schwellwert übersteigt, insbesondere wenn die Amplitude des scheinbaren Last stroms die Amplitude des Filterstroms IF übersteigt. Letzteres indiziert beispielsweise eine Verstärkung der Oberschwingung.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit Saus der Netzspannung UN und dem Filterstrom IF eine Kapazität der Filterstufe bestimmen. Die Steuereinheit S kann abhängig von der Kapazität der Filterstufe den Schalter S12 betätigen und so die zweite kapazitive Komponente CI 2 der Filterstufe zuschalten. Insbesondere kann dies erfolgen, wenn die Kapazität einen Schwellwert unterschreitet. Letzteres indiziert beispielsweise eine signifikante Alterung oder eine Beschädigung der ka pazitiven Komponente CI 1 .
Durch die resultierende Vergrößerung der Gesamtkapazität der Filterstufe und eine entsprechende Verkleinerung der Resona nzfreq uenz wird die Verstimmung der Filterstufe gegen die Abstimmfrequenz wieder erhöht, die Leistungsaufnahme der Filterstufe verringert und die Verstärkung der Oberschwingung weicht gege benenfalls wieder einer Dämpfung wie erwünscht.
Alternativ oder zusätzlich kann die Resonanzfrequenz auch durch Zuschalten einer zweiten induktiven Komponente (siehe Figur 1 c) und/oder eines Widerstands (siehe Figur 1 b) zu der Filterstufe verkleinert werden.
Liegt die Bedingung zur Zuschaltung der zweiten kapazitiven Komponente CI 2 nicht mehr vor, kann die Steuereinheit S den Schalter S12 öffnen um die zweite ka pazitive Komponente C 12 von der Filterstufe zu trennen.
Alternativ oder zusätzlich kann die zweite kapazitive Komponente CI 2 von der Fil terstufe getrennt werden, wenn die Filterwirkung der Filterstufe nicht ausreich† um eine ausreichend starke Dämpfung der Oberschwingung zu erzielen.
Figur 1 b zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform der Figur 1 a basiert.
An die Stelle der zweiten kapazitiven Komponente 012 tritt in Figur 1 b ein ohm scher Widerstand, welcher über den Schalter S12 parallel zu der induktiven Kom ponente LI zugeschalte† werden kann.
Darüber hinaus ist Funktionalität der Vorrichtung analog zu der bezüglich Figur 1 a beschriebenen.
Figur 1 c zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform der Figur 1 a basiert. Statt wie in Figur 1 a die zweite kapazitive Komponente C12 über den Schalter S12 zuzuschalten oder zu trennen, kann hier die Induktivität der induktiven Kompo nente LI unterbrechungslos verändert werden. Dazu ist die induktive Komponente LI als regelbare Drossel ausgeführt.
Darüber hinaus ist Funktionalität der Vorrichtung analog zu der bezüglich Figur 1 a beschriebenen.
Figur 2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept, welche auf der Ausführungsform der Figur 1 a basiert.
Die induktive Komponente LI und die kapazitiven Komponenten CI 1 , C12 stellen eine erste Gruppe der Filterstufe (im Folgenden„erste Filterstufe“) dar. Im Beispiel der Figur 2 weist die erste Filterstufe zudem eine zweite Gruppe mit einer indukti ven Komponente L2 sowie zwei kapazitiven Komponenten C21 , C22 und einen Schalter S22 auf, welche genau wie die Komponenten der ersten Gruppe zwi schen der ersten Phase PI und dem Sternpunk† SP geschaltet sind. Dasselbe gilt für eine dritte Gruppe der ersten Filterstufe mit induktiver Komponente L3, zwei kapazi tiven Komponenten C31 , C32 und einem Schalter S32.
Die erste Filterstufe kann beispielsweise einen Schalter S13 aufweisen, weicher zwi schen induktiver Komponente LI und kapazitiven Komponenten C I 1 , C 12 mit der ersten Gruppe und zwischen induktiver Komponente L2 und kapazitiven Kompo nenten C21 , C22 mit der zweiten Gruppe verbunden ist. Die erste Filterstufe kann beispielsweise einen Schalter S23 aufweisen, welcher zwischen induktiver Kompo nente L2 und kapazitiven Komponenten C21 , C22 mit der zweiten Gruppe und zwischen induktiver Komponente L3 und kapazitiven Komponenten C31 , C32 mit der zweiten Gruppe verbunden ist.
Durch die zweite und dritte Gruppe können die Gesamtkapazität und die Ge- samtinduktivität und somit die Resonanzfrequenz der ersten Filterstufe entspre chend dem konkreten Anwendungsfall angepasst werden.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Schalter S22 und S32 gleichzeitig mit dem Schalter S12 zu betätigen. Auf die Funktionalität der ersten Filterstufe wird da her auf die Ausführungen zu Figur 1 a verwiesen.
Die Filtervorrichtung kann beispielsweise eine zweite Filterstufe aufweisen. Die zweite Filterstufe weist eine erste Gruppe von induktiven und kapazitiven Kompo- nenten sowie Schaltern L4, C41 , C42, S42, S43 und eine zweite Gruppe von indukti ven und kapazitiven Komponenten sowie Schaltern L5, C51 , C52, S52 auf. Die bei den Gruppen der zweiten Filterstufe sind strukturell identisch zu der ersten und zweiten Gruppe der ersten Filterstufe aufgebaut. Die einzelnen Kapazitäts- und In duktivitätswerte in der zweiten Filterstufe können jedoch verschieden von denen der ersten Filterstufe sein um eine andere Oberschwingung zu dämpfen.
Die Steuereinheit kann die Schalter S42, S52 analog zu den entsprechenden Schal tern der ersten Filterstute betätigen. Auf die Funktionalität der zweiten Filterstufe wird daher auf die Ausführungen zu Figur 1 a verwiesen.
Die Filtervorrichtung kann beispielsweise eine dritte Filterstufe aufweisen. Die dritte Filterstufe weist eine Gruppe von induktiven und kapazitiven Komponenten sowie Schaltern L6, C61 , C62, S62 aut. Die Gruppe der dritten Filterstufe ist strukturell iden tisch zu der ersten Gruppe der ersten Filterstufe aufgebaut. Die einzelnen Kapazi täts- und Induktivitätswerte in der dritten Filterstufe können jedoch verschieden von denen der ersten Filterstufe sein um wiederum eine andere Oberschwingung zu dämpfen.
Die Steuereinheit kann den Schalter S62 analog zu den entsprechenden Schaltern der ersten Filterstute betätigen. Auf die Funktionalität der dritten Filterstufe wird da her auf die Ausführungen zu Figur 1 a verwiesen. Bezugszeichen
E Energienetz
S Steuereinheit
PI, P2, P3 Phasen
S 11 , S 12, S 13, S21 , S22, S23 Schalter
S31, S32, S41 , S42, S43, S51,
S52, S61 , S62
LI, L2, L3, L4, L5, L6 induktive Komponenten
Cll, C12, C21 , C22, C31, C32 kapazitive Komponenten
C41 , C42, C51 , C52, C61, C62
RI Widerstand
IN Netzstrom
UN Netzspannung
IF Filterstrom

Claims

Patentansprüche
1 . Filtervorrichtung für ein Energienetz, die Filtervorrichtung umfassend
eine Filterstufe mit einer ersten induktiven Komponente (LI ) und einer damit in Reihe geschalteten ersten kapazitiven Komponente (CI 2);
eine Steuereinheit (S) dazu eingerichtet,
- wenigstens eine elektrische Netzkenngröße (IN, UN) des Energienetzes (E) und wenigstens eine elektrische Filterkenngröße (IF) zu erfassen;
- basierend auf der wenigstens einen Netzkenngröße (IN, UN) und der wenigs tens einen Filterkenngröße (IF) wenigstens eine elektrische Lastkenngröße zu bestimmen; und
- abhängig von der wenigstens einen Lastkenngröße eine Resonanzfrequenz der Filterstufe zu verändern.
2. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 , außerdem umfassend eine zweite kapazi tive Komponente (CI 2), wobei die Steuereinheit (S) dazu eingerichtet ist, die zweite kapazitive Komponente (C I 2) der Filterstufe zuzuschalten oder von der Filterstufe zu trennen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
3. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, außerdem umfassend eine zweite induktive Komponente, wobei die Steuereinheit (S) dazu einge richtet ist, die zweite induktive Komponente der Filterstufe zuzuschalten oder von der Filterstute zu trennen um die Resonanzfrequenz zu verändern.
4. Filtervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Filterstufe eine regelbare Drossel enthält, welche die erste und die zweite induktive Komponente (LI ) enthält.
5. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem umfassend eine Widerstandskomponente, wobei die Steuereinheit (S) dazu eingerichtet ist, die Widerstandskomponente der Filterstufe zuzuschalten oder von der Fil terstufe zu trennen um die Resona nzfreq uenz zu verändern.
6. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wenigstens eine Netzkenngröße (UN, IN) eine Amplitude oder eine Phase einer Netzspan nung (UN) oder eines Netzstromes (IN) umfasst.
7. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die wenigstens eine Filterkenngröße (IF) eine Amplitude oder eine Phase eines Filterstroms (IF) oder einer Filterspannung umfasst.
8. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit (S) dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Lastkenngröße basierend auf ei nem Amplitudenvergleich oder einem Phasenvergleich zwischen der wenigs tens einen Netzkenngröße (UN, IN) und der wenigstens einen Filterkenngröße (IF) zu bestimmen.
9. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die wenigstens eine Lastkenngröße eine Amplitude oder Phase eines scheinbaren Laststroms oder einer scheinbaren Lastspannung umfasst.
10. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuereinheit (S) dazu eingerichtet ist, durch das Verändern der Resonanzfrequenz eine Verstimmung der Filterstufe zu vergrößern oder zu verringern.
1 1 . Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend eine weitere Filterstufe mit einer weiteren ersten induktiven Komponente (L4) und einer da mit in Reihe geschalteten weiteren ersten kapazitiven Komponente (C41 ), wobei
die Steuereinheit (S) dazu eingerichtet ist, abhängig von der wenigstens ei nen Lastkenngröße eine Resonanzfrequenz der weiteren Filtersfufe zu verän dern;
wobei die Veränderung der Resonanzfrequenz der Filterstufe gleichzeitig oder synchronisiert mit der Veränderung der Resonanzfrequenz der weiteren Filter stufe erfolgt.
12. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei das Energienetz (E) mindestens zwei Phasen (PI , P2, P3) aufweis† und die erste induktive Kom ponente (LI ) und die erste kapazitive Komponente (CI 1 ) zwischen einer der Phasen (PI ) und einem Sternpunk† (SP) der Filtervorrichtung in Reihe geschal tet sind.
13. Verfahren zum Betrieb einer Filtervorrichtung für ein Energienetz, die Filtervor richtung umfassend eine Filterstufe mit einer ersten induktiven Komponente (LI ) und einer damit in Reihe geschalteten ersten kapazitiven Komponente (CI 1 ), wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
- Erfassen wenigstens einer elektrischen Netzkenngröße (IN, UN) des Energienet zes (E) und wenigstens einer elektrischen Filterkenngröße (IF);
Bestimmen wenigstens einer elektrischen Lastkenngröße basierend auf der wenigstens einen Netzkenngröße (IN, UN) und der wenigstens einen Filter kenngröße (IF); und
- Verändern einer Resonanzfrequenz der Filterstute abhängig von der wenigs tens einen Lastkenngröße.
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