DE19819869C2 - Verfahren zur Kompensation von Stromoberschwingungen in elektrischen Energienetzen mit Verträglichkeitspegelregelung - Google Patents

Description

In jedem elektrischen Energienetz, in dem nichtlineare Abnehmer wie z. B. Strom­ richter betrieben werden, entstehen Stromoberschwingungen. Diese Oberschwin­ gungen können zu Störungen und Ausfällen in Systemen der Energieversorgung und der Nachrichtentechnik führen. Daher wird allgemein angestrebt, Ober­ schwingungen in Energienetzen zu reduzieren.

Die ersten bekannten Einrichtungen zur Absorption von Oberschwingungen in Energienetzen sind Saugkreisanlagen aus passiven Bauelementen, wie Indukti­ vitäten und Kondensatoren. Saugkreisanlagen können bei entsprechender Di­ mensionierung in Nieder- und Mittelspannungsnetzen eingesetzt werden.

Eine Kompensation der auftretenden Oberschwingungen gelingt aber nur unvoll­ ständig. Zudem kann der Saugkreis in Netzen, deren Leistungsfaktor bereits nahe 1 liegt, eine Überkompensation der Grundschwingungsblindleistung bewirken. Damit verschlechtert sich der Gesamtleistungsfaktor des Systems und es können Überspannungen auftreten, die wiederum die Betriebssicherheit des Gesamtsy­ stems gefährden.

Seit einigen Jahren sind Lösungen mit netzseitigen Pulsstromrichtern bekannt, die auch als aktive Oberschwingungsfilter bezeichnet werden. Hierbei werden Netzstromrichter zur Reduzierung der Oberschwingungen anstelle ungesteuerter Gleichrichter oder zusätzlich zu diesen eingesetzt. Außerdem können Netzstrom­ richter zur Grundschwingungskompensation eingesetzt bzw. mit beliebigem Lei­ stungsfaktor betrieben werden. Die bisher bekannten aktiven Oberschwingungs­ filter sind relativ teuer, da sie ein schlechtes Verhältnis zwischen Bauleistung und Netznennleistung aufweisen. Der Eigenverbrauch ist, bezogen auf die Verlustlei­ stung üblicher Saugkreisanlagen, hoch.

In der JP 09233701 A wird ein Steuerverfahren für ein dreiphasiges aktives Strom­ oberschwingungsfilter vorgestellt. Der Strom eines nichtlinearen Abnehmers wird zunächst mit Hilfe von parallelgeschalteten Bandpaßfiltern analysiert. Diese Bandpaßfilter sind auf die charakteristischen Stromrichteroberschwingungen der 5., 7. und höherer ganzzahliger Ordnung abgestimmt. Jedes Bandpaßfilter ist da­ bei gleichartig aufgebaut. Nach einer algebraischen 3-Phasen/2-Phasen- Transformation wird der Phasor in ein hinsichtlich der zu filternden Frequenz ru­ hendes Koordinatensystem überführt. Durch einen Tiefpaß werden Wechselan­ teile entfernt. Nach Rücktransformation bleiben die diskreten Oberschwingungs­ anteile zurück. Die diskreten Oberschwingungskomponenten werden zur Ansteue­ rung eines Pulsstromrichters genutzt, mit dem in das Energienetz gegenphasige Stromoberschwingungen eingeprägt werden können. Damit wird am gemeinsa­ men Netzknoten mit dem nichtlinearen Abnehmer im statischen Betriebszustand eine weitgehende Auslöschung der diskreten Stromoberschwingungen erreicht. Da jede Bandpaßfilterstufe für eine charakteristische Oberschwingungsfrequenz stets das gesamte übrige Frequenzspektrum, insbesondere die größenordnungs­ mäßig bedeutende Grundschwingung, unterdrücken muß, sind in der Anordnung Tiefpaßfilter (LPF) mit großer Zeitkonstante erforderlich, welche die Dynamik der Anordnung deutlich einschränken.

Weiterhin besteht keine Möglichkeit, die Unterdrückung von Stromoberschwin­ gungen lediglich auf vorgegebene Verträglichkeitspegel zu beschränken. Daraus ergibt sich eine im Vergleichsfall größere Leistungauslegung des eingesetzten Pulsstromrichters.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, bei dem die charakteristischen Stromoberschwingungen, die durch nichtlineare Abnehmer hervorgerufen werden, kompensiert werden und der netzseitige Strom auch bei dynamischer Änderung der Grundschwingungsamplitude eine nahezu ideale Si­ nuskurve aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Bauleistung des Pulsstrom­ richters und der Netznennleistung des zu kompensierenden Netzes wesentlich verbessert wird. Die Kompensation der Stromoberschwingungen soll nur auf ein verträgliches, zulässiges Maß beschränkt werden. Dabei sollen die frequenzdis­ kreten Bandpaßfilter bei gleicher Selektivität ein verbessertes Einschwingverhal­ ten auch bei transienter Änderung der Grundschwingungsamplitude aufweisen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein Verfahren zur Kompensation von Stromoberschwingungen in elektrischen Energienetzen unter Verwendung eines aktiven Oberschwingungsfilters angegeben wird, wobei lastseitig die Grund­ schwingung mittels einer ersten Bandsperre aus dem Eingangssignal herausge­ filtert und dann vom Eingangssignal subtrahiert wird und weiterhin die charakteri­ stischen Oberschwingungen 5. und 7. und höherer oder anderer Ordnung mittels weiterer Bandpaßfilter phasenrichtig und amplitudengetreu als diskrete Ober­ schwingungen aus einem Signal mit hohem Oberschwingungsanteil isoliert wer­ den. Die so gewonnenen Werte werden jeweils zur Steuerung des Kompensati­ onsstromes des aktiven Oberschwingungsfilters genutzt. Mit dieser Steuerung kann der Oberschwingungsanteil nahezu auf Null kompensiert werden. Da aber eine völlige Kompensation der Stromoberschwingungen nicht in jedem Fall erfor­ derlich ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Kompensation auf ein zulässiges Maß, indem netzseitig die Stromoberschwingungen analog dem Ver­ fahren auf der Lastseite mit einem Kaskadenfilter phasenrichtig und amplituden­ getreu als diskrete Oberschwingungen aus einem Signal mit reduziertem Ober­ schwingungsanteil herausgefiltert werden und die so gewonnenen Werte mit den zulässigen Werten, die als Verträglichkeitspegel bezeichnet werden, verglichen werden. Die so gewonnenen Werte werden als Regelgröße für die Verträglich­ keitspegelregelung herangezogen. Die Amplitude des Kompensationsstromes jeder diskreten Frequenz wird dabei soweit reduziert, daß die entsprechenden vorgegebenen Verträglichkeitspegel gerade eingehalten oder unterschritten wer­ den. Liegt der Stromoberschwingungspegel einer einzelnen Frequenz bereits oh­ ne zusätzliche Kurvenformkorrektur unter dem Amplitudensollwert, so wird der Kompensationsstrom der betreffenden Frequenz auf Null reduziert. Damit entfal­ len auch Verluste, die aus dem Eigenbedarf der aktiven Oberschwingungsquelle resultieren.

Dadurch, daß mit den lastseitigen Filtern Frequenz, Phase und Amplitude des Kompensationsstromes gesteuert werden, arbeitet das Verfahren besonders sta­ bil. Durch die Kaskadenanordnung der einzelnen Filterstufen wird gleichzeitig eine hohe Dynamik erreicht. Die an voreingestellten Verträglichkeitspegeln orien­ tierte Kompensationsleistung führt gegenüber einer vollständigen Kompensation zu einer Reduzierung der Pulsstromrichterbaugröße. Bei schwankenden Ober­ schwingungspegeln, die sich aus einem typischen Lastgang nichtlinearer Abneh­ mer ergeben können, wird die Amplitude der Kompensationsströme dem Bedarf nachgeführt. Besonders im Teillastbereich kann damit der Eigenbedarf des akti­ ven Oberschwingungsfilters deutlich reduziert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachstehend anhand der Fig. 1 näher er­ läutert werden.

In einem lastseitigen Kaskadenfilter A, bestehend aus den Elementen 2 bis 15, werden aus den lastseitigen Strömen I_fi1, I_fi2, I_fi3 die Grundschwingung aus dem Eingangssignal herausgefiltert und dann vom Eingangssignal subtrahiert sowie die charakteristischen Oberschwingungen 5. und 7. Ordnung phasenrichtig und amplitudengetreu als diskrete Oberschwingungen aus einem Signal mit hohem Oberschwingungsanteil isoliert. Die Wirkungsweise des Kaskadenfilters wird nachfolgend näher beschrieben.

Zuerst werden die lastseitigen Ströme I_fi1, I_fi2, I_fi3 mittels einer 3-Phasen/2- Phasen-Transformation 1 in ein raumfestes kartesisches System I_{α f0}, I_{β f0} trans­ formiert. Mit einem Vektordreher 2, der auf die Grundschwingung der Netzspan­ nung synchronisiert ist, wird der Raumzeiger I_{α f0}, I_{β f0} in das rotierende System der Grundfrequenz transformiert. Über Hochpaßfilter 3, 4 wird der Gleichanteil dieses Raumzeigers I_d1, I_q1 unterdrückt. Daraus resultiert der Raumzeiger I_df1, I_qf1. Ein in­ verser Vektordreher 5 ergibt eine Rücktransformation in das raumfeste Bezugssy­ stem. Der Raumzeiger I_{α f1}, I_{β f1} enthält jetzt nur noch die Oberschwingungen. Damit stellen die Elemente 2 bis 5 eine Bandsperre für den Grundschwingungsanteil von Raumzeigern dar.

Nach dem gleichen Prinzip arbeiten die Elemente 6 bis 9 als Bandpaß für die 5. Oberschwingung. Dabei wird der Eingangsraumzeiger I_{α f1}, I_{β f1} durch einen weite­ ren Vektordreher 6 in ein mit fünffacher Grundfrequenz im Gegensystem rotieren­ des Koordinatensystem transformiert. Dieses Gegensystem entspricht der cha­ rakteristischen 5. Oberschwingung üblicher statischer Stromrichter. Durch Tief­ paßfilter 7, 8 werden dann im rotierenden Bezugssystem alle Frequenzen des Raumzeigers I_d5, I_q5, außer der interessierenden fünften Harmonischen, unterdrückt. Daraus resultiert dann der Raumzeiger I_df5, I_qf5. Ein weiterer inverser Vek­ tordreher 9 stellt den Raumzeiger wieder in das ruhende Bezugssystem. Das Ausgangssignal I_{α f5}, I_{β f5} enthält nur noch die 5. Oberschwingung (im Gegensy­ stem). Dieses Ausgangssignal dient als Steuersignal zur Steuerung des gepul­ sten Netzstromrichters zur Kompensation der 5. Oberschwingung.

Von dem Signal I_{α f1}, I_{β f1} wird durch die Subtrahierglieder 10, 11 die vorhergehend isolierte Oberschwingung fünfter Ordnung abgezogen. Das Eingangssignal der nachfolgenden Bandpaßfilterstufe für die 7. Harmonische I_{α 5}, I_{β 5} enthält damit nur noch charakteristische Frequenzen einer Ordnung < 5.

Dieses Signal wird in einem Bandpaßfilter 7. Ordnung weiterverarbeitet, der aus den Elementen 12 bis 15 aufgebaut ist. Da die charakteristische 7. Oberschwin­ gung im Mitsystem rotiert, ist ein dritter eingangsseitiger Vektordreher 12 entspre­ chend synchronisiert. Hier wird der Eingangsraumzeiger I_{α 5}, I_{β 5} in ein mit sieben­ facher Grundfrequenz rotierendes Koordinatensystem transformiert. Dieses Sy­ stem entspricht der charakteristischen 7. Oberschwingung üblicher statischer Stromrichter. Durch Tiefpaßfilter 13, 14 werden dann im rotierenden Bezugssy­ stem alle Frequenzen des Raumzeigers I_d7, I_q7, außer der interessierenden sie­ benten Harmonischen, unterdrückt. Daraus resultiert dann der Raumzeiger I_df7, I_qf7. Ein dritter inverser Vektordreher 15 stellt den Raumzeiger wieder in das ru­ hende Bezugssystem. Das Ausgangssignal I_{α f7}, I_{β f7} enthält nur noch die 7. Ober­ schwingung. Dieses Ausgangssignal dient als Steuersignal zur Steuerung des gepulsten Netzstromrichters zur Kompensation der 7. Oberschwingung.

Der Kaskadenfilter kann auch für weitere diskrete Frequenzen und unterschiedli­ chen Drehsinn ausgelegt sein. Die Bandpaßfilterstufen sind dann analog zu den Filterstufen für die 5. und 7. Harmonische ausgeführt. Für ein asymmetrisch bela­ stetes Netz, das ein Mit- und Gegensystem enthält, werden jeweils zwei Bandsperren bzw. Bandpässe je Frequenz für das Mit- und Gegensystem ver­ wendet.

Ein weiteres, zum ersten Kakadenfilter A, identisches Kaskadenfilter B, besteht aus den Elementen 21 bis 35.

Mit dem Kaskadenfilter B werden aus den netzseitigen Strömen I_fi1', I_fi2', I_fi3' die Grundschwingung sowie die charakteristischen Oberschwingungen phasenrichtig und amplitudengetreu, analog den lastseitgen Strömen I_fi1, I_fi2, I_fi3 im ersten Kaska­ denfilter A, isoliert.

Da eine vollständige Kompensation der Oberschwingungen nicht erforderlich ist und ein Oberschwingungsanteil zulässig ist, der als Verträglichkeitspegel definiert ist, werden die mit Hilfe des Kaskadenfilters B ermittelten netzseitigen Ober­ schwingungen mit den Sollwerten verglichen und in einem Verträglichkeitspegel­ regler C wird das Steuersignal für den gepulsten Netzstromrichter zur erforderli­ chen Kompensation der Oberschwingungen erzeugt.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Verträglichkeitspegelreglers C näher beschrieben. Durch einen Betragsbildner 36 wird die Amplitude I_betr5', des netzsei­ tigen Oberschwingungspegels der 5. Oberschwingung berechnet. Analog wird in einem weiteren Betragsbildner 40 die Amplitude I_betr7' der 7. Oberschwingung be­ rechnet. Durch Subtraktion 37, 41 werden von diesen Beträgen vorgegebene Sollwerte für die Oberschwingungen I_soll5, I_soll7, die den Verträglichkeitspegeln ent­ sprechen, abgezogen. Dadurch ergeben sich die Reglereingangsgrößen I_reg5', I_reg7', die auf nachgeordnete PI-Regler 38, 42 gelangen. Die Reglerausgangsgrö­ ßen I_regpi5', I_regpi7' werden durch nachfolgende Begrenzer 39, 43 auf Werte zwi­ schen 0 und 1 begrenzt.

Die Elemente 36 bis 43 stellen einen Verträglichkeitspegelregler für die 5. und die 7. Oberschwingung dar. Die so erhaltenen Ausgangssignale I_beg5', I_beg7' der Ver­ träglichkeitspegelregelung gelangen auf Multiplikatoren 16 bis 19 in denen sie mit den Ausgangsgrößen I_{α f5}, I_{β f5} sowie I_{α f7}, I_{β f7} des ersten Kaskadenfilters A multipli­ ziert werden und mit denen die Amplituden der Raumzeiger I_{α f} und I_{β f}, für die Oberschwingungskompensation der entsprechenden Frequenz zwischen 0 und 100% verstellt werden können. Durch eine 2-Phasen/3-Phasen-Transformation 20 werden aus dem Raumzeiger I_{α f}, I_{β f} die drei Sollströme I_fa, I_fb, I_fc, als Korrektur­ ströme der drei Netzphasen gebildet. Durch einen als steuerbare Stromquelle betriebenen gepulsten Netzstromrichter können sie dem Energienetz eingeprägt werden. Die Regelvorrichtung zur Einhaltung der Verträglichkeitspegel kann auch für weitere oder andere diskrete Frequenzen vorhanden sein.

Claims (1)

1. Verfahren zur Kompensation von Stromoberschwingungen in elektrischen Energie­ netzen mit Verträglichkeitspegelregelung unter Verwendung eines aktiven Ober­ schwingungsfilters, mit einem ersten Kaskadenfilter (A), mit dem aus den lastseitigen Strömen (I_fi1, I_fi2, I_fi3) die Grundschwingung herausgefiltert und unterdrückt wird und dann die diskreten Oberschwingungen 5. und 7. und beliebiger anderer Ordnung phasenrich­ tig und amplitudengetreu als diskrete Oberschwingungen (I_{α f5}, I_{β f5}, I_{α f7}, I_{β f7}) aus einem Signal mit hohem Oberschwingungsanteil herausgefiltert werden und die so gewon­ nenen Werte zur Steuerung des aktiven Oberschwingungsfilters zur Erzeugung des Kompensationsstromes genutzt werden, während mittels eines weiteren Kaskaden­ filters (B) aus den netzseitigen Strömen (I_fi1', I_fi2', I_fi3') analog zum ersten Kaskaden­ filter (A) zuerst die Grundschwingung herausgefiltert und unterdrückt wird und dann die Oberschwingungen 5. und 7. und beliebiger weiterer Ordnung phasenrichtig und amplitudengetreu als diskrete Oberschwingungen (I_{α f5}', I_{β f5}', I_{α f7}', I_{β f7}') herausgefiltert werden, in einem nachgeordneten Verträglichkeitspegelregler (C) werden die netz­ seitig ermittelten Oberschwingungen mit Sollwerten, entsprechend den zulässigen Amplituden der netzseitigen Stromoberschwingungen die auch als Verträglich­ keitspegel bezeichnet werden, verglichen und die Ausgangsgrößen des Verträglich­ keitspegelreglers (I_beg5', I_beg7') werden in Multiplikatoren 16 bis 19 mit den Aus­ gangsgrößen (I_{α f5}, I_{β f5} sowie I_{α f7}, I_{β f7}) des ersten Kaskadenfilters A multipliziert woraus der Raumzeiger (I_{α f}, I_{β f}) gebildet wird, aus dem mittels einer 2-Phasen/3-Phasen- Transformation (20) die drei Sollströme (I_fa, I_fb, I_fc) für einen gepulsten Netzstrom­ richter zur Erzeugung der Korrekturströme der drei Netzphasen gebildet werden.