WO2010088928A1 - Verfahren zur speisung eines mehrphasigen elektrischen netzes und zugehörige schaltungsanordnung - Google Patents

Verfahren zur speisung eines mehrphasigen elektrischen netzes und zugehörige schaltungsanordnung Download PDF

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Matthias Bartsch
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—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
    • H02J3/26—Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks
    • 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
    • Y02E40/50—Arrangements for eliminating or reducing asymmetry in polyphase networks

Definitions

  • the invention relates to a method for feeding a polyphase electrical network from a controlled converter of an electric generator of a regenerative energy source, as well as to a suitable circuitry for this purpose.
  • the network operators demand that the regenerative energy sources contribute to grid support in the case of grid faults.
  • the network fault does not affect all phases of the network equally, for example in the case of two-pole faults of a three-phase three-phase network, essentially only the voltage on the affected phases breaks down and a voltage imbalance arises between the affected and unaffected phases.
  • the invention has for its object to provide a method and a circuit suitable for this purpose, with which the network can be supported in asymmetrical network errors.
  • this object is achieved with regard to the method in that the supply of the phases not affected is controlled to zero in the case of an unbalanced network fault which concerns only part of the phases.
  • the energy source which feeds all phases essentially equally in the undisturbed symmetrical operation of the network, is used to supply faulty phases when an asymmetrical network error occurs, while no feeding takes place on the phases not affected by the fault.
  • the energy supplied by the regenerative energy source is used particularly effectively to support the network affected by an asymmetrical network fault.
  • This type of voltage support is also free of the danger of overvoltages on the unaffected phases.
  • the amplitude of the supply current is controlled to a setpoint value which is increased in relation to the error-free mains operation and / or that the feed-in to reactive-current feed-in is controlled for at least one phase affected by the network fault.
  • the latter is effected in particular by controlling the phase angle between the supply current and the voltage to a value close to or equal to 90 ° for the affected phase.
  • This reactive current feed in particular with increased current amplitude, leads to the greatest possible increase in the voltage on the phases affected by the fault.
  • the fact that the supply of the phases not affected by the fault during the fault time is set to zero does not prevent this, because these unaffected phases are supplied by the other, distributed in the network feed-in points.
  • the occurrence of a network fault is detected by monitoring the phase voltages.
  • the switching to the inventive, asymmetrical feed can take place when the detected voltage of the relevant phase breaks below a predetermined threshold, for example, under a voltage of 85% of the value of a provided for the undisturbed operation of the network nominal voltage.
  • a circuit arrangement suitable for carrying out the method according to the invention with a controllable converter of an electrical generator of a regenerative energy source connected to a multiphase electrical network and a control device by means of which the converter is controllable for feeding the network is characterized in that by the control device For each phase, the occurrence of a network fault can be detected and the supply for non-faulted phases can be controlled to zero.
  • the converter of this circuit arrangement preferably has an intermediate circuit fed by a generator-side converter and a converter which is fed by the converter and is controlled by the control device.
  • this network-side converter preferably has an inverter half-bridge connected to the intermediate circuit, for example, two IGBTs connected in series and controlled by the control device.
  • the output phases of these half bridges are preferably connected via a star-delta transformer to the network to be fed.
  • the unbalanced power supply in the event of a fault can be dissipated, for example, by a return conductor which connects the star point of this transformer to the intermediate circuit. This return conductor can also be earthed. Alternatively, it is also possible to dispense with such a return conductor, in which case the neutral point of the transformer and the intermediate circuit should be earthed separately.
  • a particularly important field of application of the method according to the invention and of the circuit arrangement according to the invention is mains supply by means of energy-generating installations, in particular the supply of three-phase three-phase networks.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a circuit arrangement according to the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows an alternator (three-phase synchronous generator or three-phase asynchronous generator) 1, the drive shaft 2 is driven by a wind turbine, not shown.
  • a generator-side inverter 4 is connected, which is a six-pulse, three-phase IGBT inverter. The latter feeds a DC voltage intermediate circuit 5 connected to it.
  • a mains-side converter 6 Connected to the DC intermediate circuit 5 is a mains-side converter 6 which has three mutually parallel IGBT half-bridges 7, 8, 9, each of which supplies at its output one of the three phases L1, L2 and L3 for feeding a three-phase network.
  • the phases L1, L2 and L3 are connected via mains connection chokes 10, 11, 12 to the undervoltage side of a star-delta-transformer 13 whose high-voltage side is connected to the three-phase network 14.
  • a center tap of the DC intermediate circuit 5 is connected via a neutral conductor 15 and a network connection throttle 16 to the neutral point of the star-delta transformer 13.
  • the neutral conductor 15 is also earthed.
  • a control device (not shown) controls the IGBTs of the generator-side converter 4 in such a way that the three-phase current supplied by the generator 1 is rectified to supply the DC intermediate circuit 5. Furthermore, in the absence of network faults, this control device controls the IGBTs of the line-side converter 6 in such a way that its output-side phases L1, L2 and L3 feed the low-voltage side of the star-type delta transformer with three-phase current.
  • the mains voltage breaks down on one or two phases.
  • the control device detects this voltage dip and responsively controls the feeding of the unaffected phase or the two unaffected phases to zero.
  • the respective setpoint value for the amplitude of the injected current is increased and its phase is set with respect to the voltage to a value which is as close as possible to 90 °. As a result, the voltage is increased as much as possible on the affected phases.
  • the unbalanced power supply due to the asymmetrical network fault is dissipated via the neutral point of the star-type delta transformer 13 and the neutral conductor 15 fed back to the DC intermediate circuit 5.
  • the star point is grounded.
  • the derivation of the unbalanced power supply takes place solely on their potential.
  • the matching parts are indicated in Figs. 1 and 2 with the same zugszugs, and the relevant description of Fig. 1 also applies to Fig. 2.

Abstract

Bei einem Verfahren zur Speisung eines mehrphasigen elektrischen Netzes (14) durch einen elektrischen Generator (1) einer regenerativen Energiequelle, der über einen Umrichter (4, 5, 6) an das Netz (14) angeschlossen ist, wird beim Auftreten eines unsymmetrischen Netzfehlers erfindungsgemäß die Einspeisung auf den von dem Fehler nicht betroffenen Phasen unterbrochen und auf den betroffenen Phasen ein eine Spannungsstützung des Netzes bewirkender Strom eingespeist.

Description

ZIMMERMANN
PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS EUROPEAN TRADEMARK ATTORNEYS EUROPEAN DESIGN ATTORNEYS
Dipl.-Ing. H. Leinweber (1930-1976) Dipl.-Ing. H. Zimmermann (1962-2002) Dipl.-Phys. Or. Jürgen Kraus Dipl.-Ing. Thomas Busch Dipl.-Phys. Dr. Klaus Seranski
Rosental 7 D-80331 München
TEL. +49-89-231124-0 FAX +49-89-231124-11
den 9. Februar 2009 krgs
Unser Zeichen PW 2008014
PowerWind GmbH Anckelmannsplatz 1 , D-20537 Hamburg
Verfahren zur Speisung eines mehrphasigen elektrischen Netzes und zugehörige Schaltungsanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speisung eines mehrphasigen elektrischen Netzes aus einem gesteuerten Umrichter eines elektrischen Generators einer regenerativen Energiequelle, sowie auf eine hierfür geeignete Schaltungsanordnung.
Mit der Zunahme des Anteils regenerativer Energien, beispielsweise aus Windenergieanlagen, an der Speisung der öffentlichen Energieversorgungsnetze fordern die Netzbetreiber, dass auch die regenerativen Energiequellen bei Netzfehlern zur Stützung des Netzes beitragen. Sofern der Netzfehler nicht alle Phasen des Netzes gleichermaßen betrifft, beispielsweise bei zweipoligen Fehlern eines dreiphasigen Drehstromnetzes, bricht im wesentlichen nur die Spannung auf den betroffenen Phasen ein, und es entsteht eine Spannungsunsymmetrie zwischen den betroffenen und den nicht betroffenen Phasen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine hierzu geeignete Schaltungsanordnung anzugeben, mit denen das Netz bei unsymmetrischen Netzfehlern gestützt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, dass bei einem nur einen Teil der Phasen betreffenden unsymmetrischen Netzfehler die Speisung der nicht betroffenen Phasen auf Null gesteuert wird.
Bei der Erfindung wird also die Energiequelle, die im ungestörten symmetrischen Be- trieb des Netzes alle Phasen im wesentlichen gleichermaßen speist, beim Auftreten eines unsymmetrischen Netzfehiers zur Speisung fehlerhafter Phasen eingesetzt, während auf den vom Fehler nicht betroffenen Phasen keine Einspeisung erfolgt. Dadurch wird die von der regenerativen Energiequelle gelieferte Energie besonders wirkungsvoll zur Stützung des von einem unsymmetrischen Netzfehler betroffenen Netzes eingesetzt. Diese Art der Spannungsstützung ist auch frei von der Gefahr von Überspannungen auf den nicht betroffenen Phasen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für mindestens eine von dem Netzfehler betroffene Phase die Amplitude des Speisestroms auf einen im Verhältnis zum fehlerfreien Netzbe- trieb erhöhten Sollwert gesteuert wird und/oder dass für mindestens eine von dem Netzfehler betroffene Phase die Einspeisung auf Blindstromeinspeisung gesteuert wird. Letzteres wird insbesondere dadurch bewirkt, dass für die betroffene Phase der Phasenwinkel zwischen dem Speisestrom und der Spannung auf einen Wert nahe oder gleich 90° gesteuert wird. Diese Blindstromeinspeisung, insbesondere mit erhöhter Stromamplitude, führt zu einer größtmöglichen Anhebung der Spannung auf den von dem Fehler betroffenen Phasen. Dass dabei die Speisung der von dem Fehler nicht betroffenen Phasen während der Fehlerzeit auf Null gesetzt wird, steht nicht entgegen, weil diese nicht betroffenen Phasen von den übrigen, im Netz verteilten Einspeisestellen versorgt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Auftreten eines Netzfehlers durch Überwachung der Phasenspannungen erfasst wird. Beispielsweise kann die Umschaltung auf die erfindungsgemäße, unsymmetrische Einspeisung erfolgen, wenn die erfasste Spannung der betreffenden Phase unter eine vorgegebene Schwelle einbricht, beispielsweise unter eine Spannung von 85 % des Wertes einer für den ungestörten Betrieb des Netzes vorge- sehenen Nennspannung. Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Schaltungsanordnung mit einem an ein mehrphasiges elektrisches Netz angeschlossenen, steuerbaren Umrichter eines elektrischen Generators einer regenerativen Energiequelle und einer Steuereinrichtung, durch die der Umrichter für eine Speisung des Netzes steuerbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung für jede Phase das Auftreten eines Netzfehlers erfassbar und die Speisung für nicht als fehlerhaft er- fasste Phasen auf Null steuerbar ist.
Der Umrichter dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist vorzugsweise einen von einem generatorseitigen Umrichter gespeisten Zwischenkreis und einen von dem Z'.viεcheπkrsis gespeisten netzseiiiyeπ Umrichter, der von der Steuereinrichtung gesteuert ist, auf. Vorzugsweise weist dieser netzseitige Umrichter für jede Phase des Netzes eine an den Zwischenkreis angeschlossene Wechselrichterhalbbrücke, beispielsweise aus zwei in Reihe geschalteten und von der Steuereinrichtung gesteuerten IGBTs auf. Die Ausgangsphasen dieser Halbbrücken sind vorzugsweise über einen Stern-Dreiecks- Transformator an das zu speisende Netz angeschlossen. Die im Fehlerfalle unsymmetrische Stromeinspeisung kann beispielsweise durch einen Rückleiter abgeführt werden, der den Sternpunkt dieses Transformators mit dem Zwischenkreis verbindet. Dieser Rückleiter kann zusätzlich geerdet sein. Alternativ kann auf einen solchen Rückleiter auch verzichtet werden, wobei dann der Sternpunkt des Transformators und der Zwischenkreis jeweils für sich geerdet werden sollten.
Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die Netzspeisung durch Wϊndenergiean- lagen, insbesondere die Speisung dreiphasiger Drehstromnetze.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert ist. Hierin zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsan- Ordnung. Fig. 1 zeigt einen Drehstromgenerator (Drehstromsynchrongenerator oder Drehstromasynchrongenerator) 1 , dessen Antriebswelle 2 von einer nicht dargestellten Windturbine angetrieben wird. An die drei Außenleiter 3 des Drehstromgenerators 1 ist ein generator- seitiger Umrichter 4 angeschlossen, bei dem es sich um einen sechspulsigen, dreiphasigen IGBT-Umrichter handelt. Letzterer speist einen an ihn angeschlossenen Gleichspannungszwischenkreis 5.
An den Gleichspannungszwischenkreis 5 ist ein netzseitiger Umrichter 6 angeschlossen, der drei zueinander parallel geschaltete IGBT-Halbbrücken 7, 8, 9 aufweist, deren jede an ihrem Ausgang eine der drei Phasen L1 , L2 und L3 zur Speisung eines Drehstromnetzes liefert. Die Phasen L1 , L2 und L3 sind über Netzanschlussdrosseln 10, 11 , 12 an die Unterspannungsseite eines Stern-Dreiecks-Transformators 13 angeschlossen, dessen Oberspannungsseite an das dreiphasige Netz 14 angeschlossen ist. Ein Mittenabgriff des Gleichspannungszwischenkreises 5 ist über einen Neutralleiter 15 und eine Netzan- schlussdrossel 16 mit dem Sternpunkt des Stern-Dreiecks-Transformators 13 verbunden. Der Neutralleiter 15 ist außerdem geerdet.
Eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) steuert die IGBTs des generatorseitigen Umrichters 4 derart, dass der von dem Generator 1 gelieferte Drehstrom zur Speisung des Gleichspannungszwischenkreises 5 gleichgerichtet wird. Weiterhin steuert diese Steuereinrichtung in Abwesenheit von Netzfehlern die IGBTs des netzseitigen Umrichters 6 derart, dass seine ausgangsseitigen Phasen L1 , L2 und L3 die Unterspannungsseite des Sterndreieckstransformators mit Drehstrom speisen.
Beim Eintritt eines unsymmetrischen Netzfehlers bricht auf einer oder auf zwei Phasen die Netzspannung ein. Die Steuereinrichtung erfasst diesen Spannungseinbruch und steuert darauf ansprechend die Einspeisung der nicht betroffenen Phase bzw. der beiden nicht betroffenen Phasen auf Null. Für die betroffene Phase bzw. die beiden betroffenen Phasen wird dagegen der jeweilige Sollwert für die Amplitude des eingespeisten Stroms erhöht und dessen Phase in Bezug auf die Spannung auf einen Wert eingestellt, der möglichst nahe bei 90° liegt. Hierdurch wird auf den betroffenen Phasen die Spannung größtmöglich angehoben.
Die infolge des unsymmetrischen Netzfehlers unsymmetrische Stromeinspeisung wird bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform über den Sternpunkt des Sterndreieckstransformators 13 und den zum Gleichspannungszwischenkreis 5 zurückgeführten Neutralleiter 15 abgeführt. Außerdem ist der Sternpunkt geerdet. Hiervon unterscheidet sich die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform lediglich durch die Abwesenheit des Neutralleiters 15 und eine statt dessen vorgesehene Erdung 17 des Mittenabgriffs des Gleichspannungszwischenkreises 5. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Ableitung der unsymmetrischen Stromeinspeisung allein über ihr Potential. Die übereinstimmenden Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben ßezugszeichen bezeichnet, und die diesbezügliche Beschreibung der Fig. 1 gilt ebenso für Fig. 2.
Verzeichnis der Bezuqszeichen
1 Drehstromgenerator
2 Antriebswelle
3 Außenleiter
4 generatorseitiger Umrichter
5 Gleichspannungszwischenkreis
6 netzseitiger Umrichter , 8, 9 IGBT-Halbbrücken 1, 12 Netzanschlussdrosseln
13 Stern-Dreiecks-Transformator
14 Netz
15 Neutralleiter
16 Netzanschlussdrossel
17 Erdung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Speisung eines mehrphasigen elektrischen Netzes (14) aus einem gesteuerten Umrichter (4, 5, 6) eines elektrischen Generators (1 ) einer regenerativen Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem nur einen Teil der Phasen (L1 , L2, L3) betreffenden unsymmetrischen Netzfehler die Speisung der nicht betroffenen Phasen auf Null gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine von dem Netzfehler betroffene Phase die Amplitude des Speisestroms auf einen im Verhältnis zum fehlerfreien Netzbetrieb erhöhten Sollwert gesteuert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine von dem Netzfehler betroffene Phase die Einspeisung auf Blindstromein- Speisung gesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die betroffene Phase der Phasenwinkel zwischen dem Speisestrom und der Spannung auf einen Wert nahe oder gleich 90° gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftreten eines Netzfehlers durch Überwachung der Phasenspannungen erfasst wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz (14) ein Drehstromnetz ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Energiequelle eine Windenergieanlage ist.
8. Schaltungsanordnung mit einem an ein mehrphasiges elektrisches Netz (14) angeschlossenen, steuerbaren Umrichter (4, 5, 6) eines elektrischen Generators (1 ) einer regenerativen Energiequelle und einer Steuereinrichtung, durch die der Umrichter (4, 5, 6) für eine Speisung des Netzes (14) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinrichtung für jede Phase (L1 , L2, L3) das Auftreten eines Netzfehlers erfassbar und die Speisung für nicht als fehlerhaft erfasste Phasen auf Null steuerbar ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter einen von einem generatorseitigen Umrichter (4) gespeisten Zwischenkreis (5) und einen von dem Zwischenkreis gespeisten netzseitigen Umrichter (6), der von der Steuereinrichtung gesteuert ist, aufweist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der netz- seitige Umrichter (6) über einen Stern-Dreiecks-Transformator (13) an das Netz (14) angeschlossen ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sternpunkt und der Zwischenkreis (5) geerdet sind.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunkt und der Zwischenkreis (5) durch einen Rückleiter (15) miteinander verbun- den sind.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Energiequelle eine Windenergieanlage ist.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz (17) ein Drehstromnetz ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1) ein Drehstromgenerator ist.
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