AT521551A1 - Vorrichtung zur Stabilisierung sowie zum Filtern von Störungen bei einem Mehrphasen-Wechselspannungsnetz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung sowie zum Ausfiltern von Störungen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs bei einem zumindest dreiphasigen Wechselspannungsnetz (100), wobei die Vorrichtung aufweist: - Phasenanschlüsse (200a, 200b, 200c) zum Anschluss an die Kabelverbindungen (111, ...) des Wechselspannungsnetzes (100), - einen Wechselrichter (203) mit einem Zwischenkreiskondensator (C7), - einen zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) angeordneten Filter (202) zum Ausfiltern von vom Wechselrichter (203) ausgehenden hochfrequenten Schaltanteilen, - Messvorrichtungen (Va, Vb, Vc) zur Messung des Spannungsverlaufs (uNa, uNb, uNc) an den Phasenanschlüssen, - Messvorrichtungen (Aa, Ab, Ac) zur Messung des Stromverlaufs (iLa, iLb, iLc) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c), - eine Steuereinrichtung (204), der die einzelnen Messwerte (ua, ub, uc, uDC ia, ib, ic) der Messvorrichtungen (Va, Vb, Vc, VDC, Aa, Ab, Ac) zugeführt sind, wobei - die Steuereinrichtung (204) eine Kompensationseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Spannungsverläufen (ua, ub, uc; ud, uq) den durch die Netznennspannung verursachten Frequenzanteil, gegebenenfalls auch weitere Frequenzanteile, vorzugsweise rechnerisch, auszufiltern und einen Störspannungsverlauf (usa, usb, usc; usd, usq) zu erstellen, und - die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (203) mit Schaltsignalen (s1, s2, s3) derart anzusteuern, dass der Stromverlauf (ia, ib, ic) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) demjenigen, gegebenenfalls rechnerisch ermittelten, Stromverlauf entspricht, der auftritt, wenn der Störspannungsverlauf (usa, usb, usc; usd, usq) an eine Kompensationseinheit (305, 405) mit durch eine vorgegebene Übertragungscharakteristik festgelegter Impedanz zugeführt ist, die insbesondere bei einer vorgegebenen zu kompensierenden Netzresonanzfrequenz verringert, vorzugsweise am geringsten, ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung sowie zum Ausfiltern von

Störungen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs bei einem zumindest dreiphasigen Wechselspannungsnetz (100), wobei die Vorrichtung aufweist:

- Phasenanschlüsse (200a, 200b, 200c) zum Anschluss an die Kabelverbindungen (111, ...) des Wechselspannungsnetzes (100),

- einen Wechselrichter (203) mit einem Zwischenkreiskondensator (C7),

- einen zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) angeordneten Filter (202) zum Ausfiltern von vom Wechselrichter (203) ausgehenden hochfrequenten Schaltanteilen,

- Messvorrichtungen (V_a, V_b, V_c) zur Messung des Spannungsverlaufs (u_Na, u_Nb, u_Nc) an den Phasenanschlüssen,

- Messvorrichtungen (A_a, A_b, A_c) zur Messung des Stromverlaufs (i_La, ii_b, ii_c) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c),

- eine Steuereinrichtung (204), der die einzelnen Messwerte (u_a, u_b, u_c, u_Dc i_a, ib, ic) der Messvorrichtungen (V_a, V_b, V_c, V_Dc, A_a, A_b, A_c) zugeführt sind, wobei

- die Steuereinrichtung (204) eine Kompensationseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Spannungsverläufen (u_a, u_b, u_c; u_d, u_q) den durch die Netznennspannung verursachten Frequenzanteil, gegebenenfalls auch weitere Frequenzanteile, vorzugsweise rechnerisch, auszufiltern und einen Störspannungsverlauf (u_sa, u_Sb, u_sc; u_Sd, u_sq) zu erstellen, und

- die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (203) mit

Schaltsignalen (si, s₂, s₃) derart anzusteuern, dass der Stromverlauf (i_a, i_b, i_c) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) demjenigen, gegebenenfalls rechnerisch ermittelten, Stromverlauf entspricht, der auftritt, wenn der Störspannungsverlauf (u_sa, u_Sb, u_sc; u_Sd, u_sq) an eine Kompensationseinheit (305, 405) mit durch eine vorgegebene

Übertragungscharakteristik festgelegter Impedanz zugeführt ist, die insbesondere bei einer vorgegebenen zu kompensierenden Netzresonanzfrequenz verringert, vorzugsweise am geringsten, ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung sowie zum Filtern von

Störungen bei einem Mehrphasen-Wechselspannungsnetz.

Im Stand der Technik besteht das Problem, dass bei drei- oder mehrphasigen Netzen aufgrund von parasitären Kapazitäten, wie sie beispielsweise bei langen Kabeln oder in Transformatoren vorhanden sind, lokale Resonanzphänomene auftreten können. Aufgrund dieser Resonanzphänomene kann es zu Netzausfällen oder zur Zerstörung von elektrischen Komponenten im betreffenden Netz kommen. Beispielsweise kann es aufgrund von langen Kabeldistanzen oder einem erhöhten Kabelanteil im Netz zu einem erhöhten Induktiväts- und Kapazitätsanteil kommen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn einzelne im Netz befindliche Komponenten, wie z.B. PV-Freiflächenanlagen, Windparks oder Offshore Parks weit entfernt von der eigentlichen Hauptlastanbindung bzw. Speisung lokalisiert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Netzstabilität für drei- oder mehrphasige Netze zu schaffen. Die Erfindung sieht zu diesem Zweck eine Vorrichtung zur Stabilisierung des Netzes vor, die - angebracht an einem Knoten oder an einem Kabel des Netzes - eine lokale Stabilisierung dieses Netzes bewirkt.

Die Erfindung sieht zu diesem Zweck eine Vorrichtung zur Stabilisierung des Netzes vor, bei der die Steuereinrichtung eine Kompensationseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Spannungsverläufen den durch die Netznennspannung verursachten Frequenzanteil, gegebenenfalls auch weitere Frequenzanteile, vorzugsweise rechnerisch, auszufiltern und einen Störspannungsverlauf zu erstellen, und die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter mit Schaltsignalen derart anzusteuern, dass der Stromverlauf zwischen dem Wechselrichter und den Phasenanschlüssen demjenigen, gegebenenfalls rechnerisch ermittelten, Stromverlauf entspricht, der auftritt, wenn der Störspannungsverlauf an eine Kompensationseinheit mit durch eine vorgegebene Übertragungscharakteristik festgelegter Impedanz zugeführt ist, die insbesondere bei einer vorgegebenen zu kompensierenden Netzresonanzfrequenz verringert, vorzugsweise am geringsten, ist.

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Durch Anordnung einer Vielzahl derartiger Stabilisierungsvorrichtungen kann dieser

Effekt verbessert bzw. für eine Vielzahl von Knoten im betreffenden Netz erreicht werden.

Eine weitere Verbesserung zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung sieht vor, dass eine Messvorrichtung zur Messung der Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters vorgesehen ist, und/oder dass die Steuereinrichtung, die gegebenenfalls der Messvorrichtung zur Messung der Zwischenkreisspannung nachgeschaltet ist, dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter mit Schaltsignalen derart anzusteuern, dass die Zwischenkreisspannung einem vorgegebenen konstanten Wert entspricht.

Die Erfindung sieht zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe auch ein Verfahren zur Stabilisierung des Netzes bereit, bei der aus den ermittelten Spannungsverläufen der durch die Netznennspannung verursachte Frequenzanteil, gegebenenfalls auch weitere Frequenzanteile, vorzugsweise rechnerisch, ausgefiltert wird und derart ein Störspannungsverlauf erstellt wird, und der Wechselrichter mit Schaltsignalen derart angesteuert wird, dass der Stromverlauf zwischen dem Wechselrichter und den Phasenanschlüssen demjenigen, gegebenenfalls rechnerisch ermittelten, Stromverlauf entspricht, der auftritt, wenn der Störspannungsverlauf an eine Kompensationseinheit mit durch eine vorgegebene Übertragungscharakteristik festgelegter Impedanz zugeführt ist, die insbesondere bei einer vorgegebenen zu kompensierenden Netzresonanzfrequenz verringert, vorzugsweise am geringsten, ist.

Eine weitere Verbesserung zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung sieht vor, dass die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters gemessen wird, und/oder dass der Wechselrichter derart mit Schaltsignalen angesteuert wird, dass die Zwischenkreisspannung einem vorgegebenen konstanten Wert entspricht.

Eine bevorzugte Anpassung der Filtercharakteristik sieht vor, dass für den Fall, dass aktuell keine zu kompensierenden Störungen vorhanden sind, für unterschiedliche Frequenzen die Impedanz des Netzes und/oder die Spannungsantwort bei einer /38² vorgegebenen Stromanregung bei einer vorgegebenen Frequenz gemessen und für den Fall, dass die ermittelte Impedanz und/oder Spannung einen vorgegebenen Impedanz- oder Spannungs-Schwellenwert überschreitet, die Übertragungscharakteristik des Kompensationseinheit an diese Frequenz angepasst wird, wobei insbesondere die Impedanz der Kompensationseinheit bei dieser Frequenz verringert, insbesondere am geringsten, ist.

Dabei kann zur Vermeidung von schädlichen Einflüssen auf das Netz, insbesondere weiteren Resonanzeffekten, vorgesehen sein, dass bei den einzelnen Messungen die für die Stromanregung herangezogene Stromstärke schrittweise erhöht wird, bis zumindest bei einer Frequenz ein Spannungs-Schwellenwert überschritten wird, und gegebenenfalls anschließend die für die Stromanregung herangezogene Stromstärke in Schritten so lange reduziert wird, bis der Spannungs-Schwellenwert lediglich bei einer einzigen Frequenz überschritten wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform sowie mehrere Varianten der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungsfiguren näher dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Elektrizitätsnetz mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Stabilisierungsvomchtungen. In Fig. 2 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stabilisierungsvorrichtung dargestellt. In Fig. 3 ist eine Variante eines in Fig. 2 verwendeten Transformators im Detail dargestellt. In Fig. 4 ist eine Variante einer in Fig. 2 verwendeten Filterschaltung im Detail dargestellt. Fig. 5 zeigt eine typische Filtercharakteristik eines in Fig. 4 dargestellten Filters. Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform für den in Fig. 4 dargestellten Filter mit zusätzlicher Gleichtakt-Filterung. Fig. 7 zeigt eine erste Variante eines in Fig. 2 verwendeten Wechselrichters im Detail. Fig. 8 zeigt eine zweite Variante eines in Fig. 2 verwendeten Wechselrichters mit einem Neutralleiteranschluss im Detail. In Fig. 9 ist eine Variante einer in Fig. 2 verwendeten Steuerschaltung im Detail dargestellt. In Fig. 10 ist eine weitere Variante einer in Fig. 2 verwendeten Steuerschaltung im Detail dargestellt. Fig. 11 und 12 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Phase-Locked-Loops, die bei den in Fig. 9 und 10 dargestellten Steuerschaltungen zum Einsatz kommen können.

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Fig. 13 zeigt einen Filter, der bei einerweiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem vierphasigen Netz einsetzbar ist und der eine aktive Regelung des Neutralleiterpotentials ermöglicht. Fig. 14 zeigt einen Wechselrichter, der bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem vierphasigen Netz einsetzbar ist und der eine aktive Regelung des Neutralleiterpotentials ermöglicht.

Fig. 1 zeigt ein derartiges Elektrizitätsnetz 100 mit einer zentralen Generatorstation 101, von dem eine Anzahl von mehrphasigen, im vorliegenden Fall, dreiphasigen, Abgängen Kabelverbindungen 111-129 abgehen. Diese Kabelverbindungen 111-129 sind entweder über Verteiler 140-144 oder Transformatorstationen 151-153 miteinander verbunden. Zur Vermeidung von Instabilitäten sind im Netz 100 an einzelnen Kabelverbindungen 111-129 jeweils aktive Stabilisierungsvorrichtungen 200A, 200B angeordnet. Diese sind dazu ausgebildet, auf vorgegebene Weise Strom in das Netz 100 über die Kabelverbindung 111-129 einzuspeisen bzw. diesen über die Kabelverbindung 111-129 aus dem Netz 100 zu entnehmen. Die Steuerung der Stromeinspeisung bzw. Entnahme erfolgt aufgrund einer Spannungsmessung an der betreffenden Kabelverbindung 111-129.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Stabilisierungsvomchtung 200; 200a, 200b ist in Fig. 2 näher schematisch dargestellt. Die Stabilisierungsvomchtung 200 umfasst einen mehrphasigen Transformator 201, der in Fig. 3 näher dargestellt ist und der an eine Kabelverbindung des Netzes 100 angeschlossen ist. Der Transformator hat die Funktion, die am Netz 100 vorherrschende Spannung in eine für die Stabilisierungvorrichtung 200 vorteilhafte Spannung zu transformieren. Typischerweise arbeitet eine Stabilisierungvorrichtung 200 bzw. der ihr zugehörige Wechselrichter mit einer Phasen-Phasen Spannung von 400 Vrms, während Mittelund Hochspannungsnetzwerke typischerweise Spannungen von bis zu ca. 110 kV bzw. mehr als 110kV aufweisen. Die Verwendung eines Transformators 201 ist grundsätzlich optional: Sofern die übrigen Komponenten der Stabilisierungsvomchtung 200 auf die am Netz 100 vorherrschenden Spannung abgestimmt sind, kann der Transformator 201 auch entfallen.

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Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, kann ein Transformator 201 beispielsweise in Y-Y Beschaltung betrieben werden. Der Transformator 201 umfasst einen Eisenkern mit drei Schenkeln 201 a, 201 b, 201 c, an denen jeweils eine Spule 2011 a, 2011 b, 2011 c der Primärseite sowie jeweils eine Spule 2012a, 2012b, 2012c der Sekundärseite angeordnet ist. Jeweils ein Anschluss jeder der Spulen 2011a, 2011b, 2011c der Primärseite ist mit einem gemeinsamen primärseitigen Sternpunkt 2011S verbunden. Die übrigen Anschlüsse der Spulen 2011a, 2011b, 2011c der Primärseite sind an jeweils eine Phase 111a, 111b, 111c des Netzes 100 angeschlossen.

Jeweils ein Anschluss jeder der Spulen 2012a, 2012b, 2012c der Sekundärseite ist mit einem gemeinsamen sekundärseitigen Sternpunkt 2012S verbunden. Die übrigen Anschlüsse der Spulen 2012a, 2012b, 2012c der Sekundärseite sind an jeweils eine Phase des Filters 202 (Fig. 4) angeschlossen.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 die in Fig. 2 und 3 angesprochene Filterschaltung näher dargestellt. Sofern, wie dies in Fig. 2 der Fall ist, ein Transformator 201 am Eingang der Stabilisierungsschaltung 200 vorhanden ist, kann auch die Induktivität am Ausgang des Transformators zu Filterzwecken herangezogen werden.

Im vorliegenden Fall zeigt Fig. 4 eine Filterschaltung 202 in Form einer dreiphasigen Gegentaktausgangsfilterstufe. Diese weist an ihrem Eingang jeweils eine Eingangsinduktivität L_1a, L_1b, L_1c mit einem parasitären Widerstand R_Lia, Ri_ib, Rlic auf. Bei der Dimensionierung der Stabilisierungsschaltung ist auch darauf zu achten, dass die einzelnen miteinander verkoppelten Spulen 2012a, 2012b, 2012c der Sekundärseite des Transformators 201 eine bestimmte Induktivität L_1a, L_1b, L_1c aufweisen und auch mit parasitären Widerständen R_Lia, Ri_ib, Rlic behaftet sind, sodass dieser Teil der Filterschaltung 202 gegebenenfalls auch bereits durch den Transformator 201 realisiert sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die Induktivitäten l_i_a, Li_b, l_i_c jeweils einen Wert von 10 pH (Mikro-Henry). Die parasitären Widerstände R_Lia, Ri_ib, Rlic haben jeweils einen Wert von 10 πίΩ (MilliOhm).

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Die Induktivitäten Li_a, Li_b, Li_c sind über weitere Induktivitäten l__2a, l_₂b, L_2c, die im vorliegenden Fall durch reale Spulen mit einem parasitären Widerstand R_L2a, Ri_2b, R_L2c realisiert sind, an den Ausgang für den Wechselrichter 203 der Filterschaltung 202 angeschlossen. Die Induktivitäten L_2a, L_2b, L_2c haben jeweils einen Wert von 500 pH (Mikro-Henry), die parasitären Widerstände R_L2a, Ri_2b, Rl2c an diesen Spulen haben einen Wert von 10 πίΩ (Milli-Ohm).

An diesem Ausgang sind darüber hinaus Strommessgeräte A_a, A_b, A_c vorgesehen, die den jeweiligen Strom, der in den Wechselrichter 203 fließt, messen und laufend Strom messwerte i_La, ii_b, ii_c zur Verfügung stellen. Aufgrund der Verschaltung der Strommessgeräte A_a, A_b, A_c reicht es für den Fall eines dreiphasigen Netzes ohne Neutralleiter aus, nur zwei der drei Strommessungen durchzuführen, da sich aufgrund des Zusammenhangs i_La + kb + ii_c = 0 aus zwei Strom messwerten jeweils der dritte auftretende Strom rechnerisch ermitteln lässt.

Weiters umfasst die Filterschaltung 202 drei von den Phasenleitungen in Knoten P_a, P_b, P_c zwischen den jeweiligen Induktivitäten l_i_a, L_2a; Li_b, L_2b; l_i_c, L_2c abgehenden Kondensatoren Ci_a, Ci_b, Ci_c, die an einem gemeinsamen Sternpunkt 202S zusammengeführt sind. Die Kondensatoren Ci_a, Ci_b, Ci_c weisen im vorliegenden Fall jeweils parasitäre Widerstände R_Ci_a, Reib, Rcic auf. Die Kondensatoren Ci_a, Ci_b, Ci_c haben typischerweise eine Kapazität von 1pF (Mikro-Farad), die parasitären Widerstände an den Kondensatoren R_Ci_a, Reib, Rcic haben einen Wert von 50mD (Milli-Ohm).

An den Kondensatoren bzw. Kapazitäten RCi_a, RCi_b, RCi_c zwischen den Knoten P_a, P_b, P_c und dem Sternpunkt 202S wird mittels jeweils eines Spannungsmessgeräts V_a, V_b, V_c jeweils eine Phasenspannung u_Na, u_Nb, u_Nc gemessen, die im Wesentlichen mit der jeweiligen Phasenspannung im Netz 100 übereinstimmt. Dabei werden laufend Spannungsmesswerte u_Na, u_Nb, u_Nc ermittelt. Aufgrund der Verschaltung der Spannungsmessgeräte V_a, V_b, V_c reicht es im Fall eines dreiphasigen Netzes ohne Nulleiter aus, nur zwei der drei Spannungsmessungen durchzuführen, da sich aufgrund des Zusammenhangs u_Na + u_Nb + u_Nc = 0 aus zwei Spannungsmesswerten jeweils die dritte auftretende Spannung rechnerisch ermitteln lässt.

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Alternativ zur der dargestellten Messung bzw. Verschaltung besteht auch die Möglichkeit, dass die Spannungsmessungen sowie die Kondensatoren Ci_a, Ci_b, Ci_c der Filteranordnung 202 anstatt in der dargestellten Sternschaltung in Dreiecksschaltung verschalten sind. Bei einer Dreieckverschaltung können die einzelnen Größen der Sternschaltung rechnerisch ermittelt werden.

Durch diese konkrete Verschaltung von Induktivitäten L_1a, L_2a; L_1b, L_2b; L_1c, L_2c und Kapazitäten Ci, C₂, C3 wird in der Filterschaltung 202 eine GegentaktAusgangsfilterstufe realisiert. Durch diese Ausgangsfilterstufe wird eine Filtercharakteristik erreicht, mit der die aufgrund der Schaltvorgänge entstehenden schaltfrequenten Anteile des an die Filterschaltung 202 angeschlossenen Wechselrichters gedämpft und nicht in das Netz weitergeleitet werden. Eine beispielhafte Filtercharakteristik für die vorstehend beschriebene und dimensionierte Filterschaltung 202 ist in Fig. 5 näher dargestellt. Aus dieser ist ersichtlich, dass hochfrequente Anteile, wie sie im Zuge des Betriebs eines Wechselrichters 203 üblicherweise auftreten, nicht in das Netz 100 gelangen, während der Widerstand im Bereich der Netznennspannung sehr gering ist.

Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Filterschaltung 202 zusätzlich eine Gleichtakt-Filterstufe (Fig. 6) aufweist. Eine solche Gleichtakt-Filterstufe ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Eine solche kann im einfachsten Fall durch eine Anzahl von miteinander verkoppelten Spulen L_3a, L_3b, L_3c realisiert sein, die miteinander im gleichen Richtungssinn verkoppelt sind. Darüber hinaus können auch Kondensatoren C_2a, C_2b, C_2c vorgesehen sein, über die die Phasenleitungen geerdet sind. Parasitäre Widerstände, die bei der vorliegenden Filterschaltung vorhanden sind, sind in Fig. 6 aus Platzgründen nicht dargestellt. Die Spannungsmessung kann alternativ auch am jeweils anderen Anschluss der miteinander verkoppelten Spulen, d.h. am Knoten P_a', P_b' P_c' oder am Eingang des Filters 202 vorgenommen werden.

In Fig. 7 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 203 näher dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Wechselrichter über insgesamt drei Halbbrücken umfassend jeweils zwei Schalter S_ai, S_a2; S_bi, S_b2; S_ci, S_C2 realisiert, die jeweils über separate Steuersignale s_a1, s_a2; s_b1, s_b2; s_ci, s_C2 / 38⁷ geschaltet sind. Jeder der Phasenanschlüsse des Wechselrichters 203 ist dabei an den Mittenanschluss jeweils einer der Halbbrücken angeschlossen. Die Außenanschlüsse der Halbbrücken sind an jeweils einen der Anschlüsse eines Zwischenkreiskondensators Cdc angeschlossen, der im Folgenden Ausführungsbeispiel eine Kapazität von 500 pF (Mikro-Farad) aufweist und einen parasitären Serienwiderstand von 20 πίΩ (Milli-Ohm) aufweist.

Die Ansteuerung der einzelnen Schalter S_ai, S _a2i Sbi, Sb2i S_ci, S_C2 kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen; im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einer Grundfrequenz von ca 100 kHz herangezogen, wobei die beiden Schalter jeweils einer Halbbrücke jeweils mit unterschiedlichem Schaltsignal beaufschlagt werden, d.h. wenn der eine Schalter geschlossen ist, wird der andere geöffnet, sodass durch die Auswahl der Schalterstellung als Potential an der Phase jeweils das Potential an einem der beiden Anschlüsse des Zwischenkreiskondensators C_Dc gewählt werden kann.

Eine Realisierung des Wechselrichters 202 ist keinesfalls zwingend in Halbbrücken erforderlich. Vielmehr können auch alternative Varianten der Festsetzung der Spannung vorgenommen werden, wie auch mehrstufige Schaltzellen, beispielsweise NPC, T-Type, Flying-Capacitor etc. Darüber hinaus können auch Multizellensysteme verwendet werden, um hohe Spannungen schalten zu können und derart eine höhere Regelbandbreite zu erreichen.

Um eine Stabilisierung der Zwischenkreisspannung u_Dc vornehmen zu können, ist vorgesehen, dass am Zwischenkreiskondensator Cdc ein weiteres Spannungsmessgerät V_Dc vorgesehen ist, das laufend die Zwischenkreisspannung ermittelt und diesbezügliche Messwerte u_DC für die Zwischenkreisspannung zur Verfügung stellt.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, wenn das Netz 100 einen Neutralleiter zur Verfügung stellt, auch diesen an den Wechselrichter 202 anzuschließen, um derart eine ungleiche Belastungen der einzelnen Phasen kompensieren zu können. Eine solche alternative Ausführungsform eines vierphasigen Wechselrichters mit einem Neutralleiteranschluss ist in Fig. 8 näher dargestellt. Der Neutralleiter des Netzes ist in diesem Fall unmittelbar oder über den allenfalls vorhandenen Transformator 201

9/38 an den Neutrallleitereingang des Wechselrichters 203 geführt. Gegebenenfalls können auch an der Filterschaltung Maßnahmen zur Unterdrückung von Störeffekten am Neutralleiter vorgenommen sein.

Im Gegensatz zu dem in Fig. 7 dargestellten Wechselrichter weist der in Fig. 8 dargestellte Wechselrichter 203 insgesamt zwei in Sehe geschaltete Zwischenkreiskondensatoren C_Dci, C_Dc2 auf, wobei die Spannungsmesseinheit V_Dc die Zwischenkreisspannung an der Serienschaltung der Zwischenkreiskondensatoren Cdci, Cdc2 misst. Der Wechselrichter 203 weist einen Neutralleiteranschluss auf, der mit dem Mittelpunkt zwischen den beiden Zwischenkreiskondensatoren C_Dci, C_Dc2 verbunden ist.

Darüber hinaus verfügt der Wechselrichter 203 über eine Balanciereinheit 2031, die jeweils dafür sorgt, dass die Spannungen an den beiden Zwischenkreiskondensatoren C_Dci, C_Dc2 gleich ist. Im einfachsten Fall erfolgt die Festlegung der Spannungen passiv mittels zweier Widerstände. Der erste Widerstand ist an einem Ende der Serienschaltung der Zwischenkreiskondensatoren Cdci, C_Dc2 und am Mittelpunkt der Zwischenkreiskondensatoren C_Dci, C_Dc2, der zweite Widerstand ist am jeweils anderen Ende der Serienschaltung der Zwischenkreiskondensatoren Cdci, Cdc2 und wiederum am Mittelpunkt der Zwischenkreiskondensatoren Cdci, Cdc2 angeschlossen.

Alternativ kann die Balanciereinheit 2031 beispielsweise über nicht dargestellte Spannungsmesseinheiten zur Messung der Spannungen an den beiden Zwischenkreiskondensatoren Cdci, Cdc2 eine Regelung des Potentials, vorzugsweise mittels einer Halbbrückenschaltung, im Mittelpunkt vornehmen.

Die nachstehend in Fig. 9 und 10 beschriebenen Regelungs- und Stabilisierungsmaßnahmen für die Ansteuerung des Wechselrichters 203 könne auch für die in Fig. 8 beschriebene vierphasige Ausführungsform verwendet werden.

In Fig. 9 wird eine erste bevorzugte Steuerschaltung 204 dargestellt, deren Eingang die einzelnen ermittelten Spannungs- und Strommesswerte i_La, kb, kc, u_Na, u_Nb, u_Nc, u_Dc zugeführt sind und die die Steuersignale s_1a, s_2a; s_1b, s_2b; s_1c, s_2c für die , 9

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Ansteuerung der Schalter Si_a, S2_a; Sw, S2b; Sw, 82c bzw. des Wechselrichters 203 erstellt.

Die Spannungsmesswerte u_Na, u_Nb, u_Nc werden einer Phase-Locked-Loop 301 (Fig. 11, 12) zugeführt, die an ihrem Ausgang die Phasenlage 0_N, die Frequenz bzw. Winkelgeschwindigkeit ω_Ν sowie einen Grundschwingungsspitzenwert |ύ_Ν| der Spannungsmesswerte u_Na, u_Nb, u_Nc angibt. Wird, wie im vorliegenden Fall, eine Netzfrequenz von etwa 50 Hz verwendet, weist die Winkelgeschwindigkeit ω_Ν einen Wert von 2 ir50 Hz auf.

Die Phase-Locked-Loop 301 kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden. Ein sehr einfacher Fall wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 und 12 beschrieben. Die Bestimmung erfolgt dabei auf Grundlage der d/q-Transformation 3011, wobei der die drei ermittelten Spannungsmesswerte u_Na, u_Nb, u_Nc als Eingangsgrößen zugeführt werden. Die nähere Funktionsweise der d/q-Transformation sowie der d/qRücktransformation sind beispielsweise in https://de.wikipedia.org/wiki/D/qTransformation näher erläutert. Die für die d/q-Transformation ebenfalls benötigte Phasenlage θ_Ν wird anhand der in Fig. 11 und 12dargestellten Regelung näher festgelegt. Je nach gewünschter Phasenlage des Raumzeigers im d/qKoordinatensystem kann ein nachgeschalteter PI-Regler 3012 entweder die dKomponenten (Fig. 11) oder die q-Komponente (Fig. 12) zu Null regeln. Diejenige Komponente, die im betreffenden Koordinatensystem zu Null geregelt werden soll, wird dem PI-Regler 3012 zugeführt. Zum Ausgangswert des PI-Reglers 3012 wird in einem Addierer 3013 eine Winkelgeschwindigkeit ω_Ν addiert. Eine mögliche Implementierung sieht vor, dass die zu addierende Winkelgeschwindigkeit als Konstante ω_Ί festgelegt wird, die dem erwarteten Wert der Kreisfrequenz entspricht bzw. diesem möglichst nahe liegt. Das Ergebnis der Addition wird einem Integrator 3014 zugeführt. Dieser Integrator 3014 hat die Eigenschaft, dass er nach dem Erreichen eines Zählwerts von 2π wieder auf Null zurückgesetzt wird, sodass der Wert des Ausgangs des Integrators 3014 der anliegenden Phasenlage 0_N entspricht und diese stets zwischen 0 und 2π liegt. In weiterer Folge wird die in Fig. 12 vorgeschlagene Variante weiter verwendet, bei der die q-Komponente auf Null geregelt wird.

Entsprechend erhält man aus dem von der Phase-Locked-Loop 301, unterschiedliche Größen. Am Ausgang des Reglers 3012 zeigt den Grundschwingungsspitzenwert |ύ_Ν| sowie diverse Störfrequenzen der Netzspannung. Der Eingang des Integrators 3014 erhält man die aktuelle Netzfrequenz ω_Ν, am Ausgang des Integrators 3014 erhält man die Phasenlage 0_N.

Der Grundschwingungsspitzenwert |ύ_Ν| wird einem Tiefpassfilter 302 zugeführt; im vorliegenden Fall handelt es sich beispielsweise um einen linearen Tiefpassfilter zweiter Ordnung, der eine Grenzfrequenz bei 50 Hz aufweist. Der Tiefpassfilter kann aber je nach Anwendungsfall bzw. Netznennfrequenz auch eine höhere oder niedrigere Grenzfrequenz aufweisen.

In weiterer Folge wird der am Ausgang des Tiefpassfilters 302 zur Verfügung stehende gefilterte Grundschwingungsspitzenwert |ύ_Ν| als d-Wert an eine d/qRücktransformationseinheit 303 übermittelt. Als q-Wert wird der d/qRücktransformationseinheit 303 der Wert 0 zugeführt. Darüber hinaus wird der d/qRücktransformationseinheit 303 die Phasenlage 0_N als Phasenwert übermittelt.

Am Ausgang der d/q-Rücktransformationseinheit 303 werden mit der tiefpassgefilterten bereinigten Grundschwingungsamplitude mittels d/q-alpha/betaRücktransformation wieder drei Einzelgrößen ermittelt, die nur noch den Grundschwingungsanteil und keine höherharmonischen höherfrequenten Störspannungen enthalten.

Die Rücktransformation benötigt grundsätzlich zwei Größen, namentlich eine dKomponente und eine q-Komponente. Im vorliegenden Fall wird für die dKomponente die tiefpass-gefilterte bereinigte Grundschwingungsamplitude herangezogen. Als q-Komponente wird der Wert 0 verwendet. Am Ausgang der d/qRücktransformationseinheit 303 erhält man drei Ausgänge die als fundamentale Spannungen u_a,f_Und, Ub.fund, u_c,f_Und Spannungsverläufe bezeichnet werden.

Die Funktion der Filterung könnte alternativ auch über drei auf die einzelnen Phasenspannungswerte angewendete Bandpassfilter erfolgen, wobei in diesem Fall eine Filterung mittels PLL 301 und die anschließende Tiefpassfilterung im d/q, 11

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System entfallen könnte. Da für mehrphasige Systeme allerdings in der Regel eine

PLL 301 zur einfacheren Regelung zur Verfügung steht, kann diese hier auch bereits im Zusammenhang mit der Bereinigung des Signals um die Grundschwingung vorteilhaft verwendet werden.

Die drei ermittelten fundamentalen Spannungen u_a,_fUnd, u_b,f_Und, u_c,f_Und werden in einer Subtrahiereinheit 304 von den drei gemessenen Spannungen u_Na, u_Nb, u_Nc, subtrahiert. Die durch die Subtraktion der fundamentalen Spannungen von den gemessenen Spannungen erreichte Gesamtdämpfung der Grundschwingung entspricht der Gesamtübertragungsfunktion aus PLL 301 und Tiefpassfilter 302. Am Ausgang der Subtraktionseinheit 304 liegen bereinigte Störspannungen u_sa, u_sb, u_sc an, deren Kompensation anhand einer bevorzugten Regelstrategie in einer Kompensationseinheit 305 im Folgenden näher dargestellt wird.

Darüber hinaus können aus dem der Kompensationseinheit 305 zugehenden Signal noch weitere Frequenzanteile ausgefiltert werden, wenn sichergestellt werden soll, dass diese Frequenzanteile im Netz als Nutzsignale nicht ausgefiltert bzw. nicht als Störungen betrachtet werden sollen. Dies betrifft neben Frequenzanteilen im Bereich der Netznennspannung auch andere Frequenzanteile, insbesondere im Bereich von 100 Hz, die beispielsweise für Rundsteuersignale reserviert sind.

Die Bestimmung des Sollstroms durch die Kompensationseinheit erfolgt vorzugsweise rechnerisch, d.h. es ist keinesfalls erforderlich, dass die Kompensationseinheit durch eine tatsächlich aufgebaute analoge Schaltung realisiert ist. Vielmehr ist die Kompensationseinheit im Regelfall durch einen DSP oder einen FPGA realisiert.

Diese drei Störspannungen u_sa, u_sb, u_sc werden der Kompensationseinheit 305 zugeführt, diese weist eine grundsätzlich frei wählbare Netzdämpfungsfiltercharakteristik auf. Zweck der Kompensationseinheit 305 ist es, für die ermittelten Strom messwerte i jeweils einen Sollstromwert i*_La, i*_Lb, i*_Lc vorzugeben, der letztlich dazu führt, dass die Störspannungen u_sa, u_sb, u_sc möglichst reduziert werden. Die in der Kompensationseinheit festlegbare Netzdämpfungsfiltercharakteristik stellt einen Zusammenhang zwischen den

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Störspannungen u_sa, u_Sb, u_sc und dem Sollstrom her und kann, wenn eine lineare

Filtercharakteristik gewünscht ist, als frequenzabhängige Admittanz formuliert werden. Beispielhaft sei ein RLC Filter gewählt, dessen Admittanz wie folgt definiert ist:

Y(s) = sC/(s²LC + sRC + 1).

Als Filterresonanzfrequenz f_r wird hier zum Beispiel 400Hz mit einer maximalen Dämpfung von A_r=1 gewählt. Dies ergibt die folgenden Werte für L, R und C

C = V2A_r/(2irf_r) = 562pF

L = 1/((2πί_Γ)²· C) = 281 pH

R = V2/(2TTf_rC) = 1Ω

Würde man einen solchen Filter als rein passives RLC Glied implementieren, d.h. diesen Filter unmittelbar an das Netz anschließen, würde eine Grundschwingungsstrombelastung von

Iq = 2*K*f_N*C*V_N = 40A_rms auftreten, die aber für die Dämpfung der höher frequentierten Anteile keinen Beitrag leisten würde und zusätzliche Verluste von R*lq,rms^A2 = 1600W zur Konsequenz hätte.

Durch die vorgeschlagene Regelstrategie kann die gleiche Filtercharakteristik und Dynamik erreicht werden wie bei der passiven Struktur ohne aber das Netz zusätzlich mit Grundschwingungsblindleistung zu belasten. Die entstehenden Verluste entsprechen den entstehenden Verlusten der Schaltzelle und nicht jene des RLC Gliedes da die Schaltzelle die RLC Charakteristik nur virtuell nachstellt.

Jeder in der Kompensationseinheit 305 enthaltene Filterblock ist separat von den übrigen Filterblöcken ausgeführt und besitzt eine resultierende Sollstromvorgabe, d.h. für jede Phase wird jeweils ein separater Sollstrom i*_La, i*i_b, i*Lc ermittelt. Diese

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Sollströme i*_La, i*Lb, i*Lc werden von einer d/q-Transformationseinheit 3061 unter Verwendung der aktuellen Phasenlage θ_Ν in d/q-Sollstromwerte i*_Ld, i*_Lq umgerechnet. Ebenso werden die Strom messwerte i_La, ii__b, ii_c von einer d/qTransformationseinheit 3062 unter Verwendung der aktuellen Phasenlage 0_N in d/qStromwerte i_Ld, ii_q umgerechnet. Schließlich werden auch die Spannungsmesswerte u_Na, u_Nb, u_Nc unter Verwendung der aktuellen Phasenlage θ_Ν in d/q-Spannungswerte u_Ld, u_Lq umgerechnet.

Die vorliegende Regelung hat neben der Reduktion von hochfrequenten Störspannungen im Netz auch die Aufgabe, die Zwischenkreisspannung u_Dc möglichst konstant zu halten. Die gemessene Zwischenkreisspannung u_Dc ist einem optionalen Notch-Filter 307 zugeführt. Dieses Notch-Filter 307 ist für den simulierten beispielhaften Fall wie folgt definiert:

Gnotch(s) = (s² + (2π· 100)²)/(s² + s-2-ττ· 100/20 + (2π·100)²)

Der Sollwert der gewünschten Zwischenkreisspannung u_Dc und der erhaltene Wert am Ausgang des Notchfilters 307 werden in der Differenzbildungseinheit 308 voneinander abgezogen. Der so erhaltene Differenzwert wird anschließend einem PlGlied 309 zugeführt, das in diesem Beispiel wie folgt dimensioniert ist:

Hpi(s) = KP+KI/s, wobei insbesondere KP=0.1 und Kl=10

Der Ausgang des Pl-Glieds 309 ist eine optionale Schwellenwerteinheit 310 vorgesehen, die bei Überschreitung eines vorgegebenen Schwellenwerts an ihrem Eingang einen Ausgangswert liefert, der dem Schwellenwert entspricht. Ebenso kann für diese Schwellenwerteinheit 310 ein weiterer unterer Schwellenwert vorgesehen sein, wobei für den Fall, dass am Eingang ein den unteren Schwellenwert unterschreitender Wert anliegt, am Ausgang der betreffende untere Schwellenwert zur Verfügung gehalten wird.

Der am Ausgang der Schwellenwerteinheit 310 anliegende Wert, die d-Komponente des Sollstromwerts i*_Ld und der negative Wert der d-Komponente des Stromwerts i_Ld werden einer Additionseinheit 311 zugeführt. Das am Ausgang der Additionseinheit

311 anliegende Ergebnis wird einem PI-Regler 312 zugeführt, der in diesem Beispiel wie folgt dimensioniert ist:

Hpi(s) = KP+KI/s, wobei insbesondere KP=50 und KI=500000

Am Ausgang des PI-Reglers 312 kann wiederum optional eine Schwellenwerteinheit 312 vorgesehen sein.

Die q-Komponenten i*_Lq, des Sollstromwerts und i_Lq des Stromwerts werden an der Additions/Subtraktionseinheit 315 voneinander abgezogen, der so ermittelte Differenzwert wird einem PI-Regler 316 zugeführt, der von seinem Aufbau her dem PI-Regler 312 entspricht. Dem PI-Regler 316 kann eine optionale Schwellenwerteinheit 317 nachgeschaltet sein.

In weiterer Folge werden von zwei Additionseinheiten 319, 320 zwei Werte u_od, u_oq wie folgt ermittelt:

Der ersten Additionseinheit 319 werden der negative Ausgang des PI-Reglers 312 oder der optionalen Schwellenwerteinheit 313, der d-Wert u_Nd der gemessenen Spannung u sowie der positive q-Wert i_Lq des gemessenen Stroms, gewichtet mit dem Faktor K, zugeführt. Die Multiplikation des q-Werts i_Lq des gemessenen Stroms mit dem Faktor K wird in der Multiplikationseinheit 318 ausgeführt. Am Ausgang der ersten Additionseinheit 319 wird ein Spannungswert u_od erhalten.

Der zweiten Additionseinheit 320 werden der negative Ausgang des PI-Reglers 316 oder der optionalen Schwellenwerteinheit 317, der q-Wert u_Nq der gemessenen Spannung sowie der negative d-Wert i_Ld des gemessenen Stroms, gewichtet mit dem Faktor K zugeführt. Die Multiplikation des d-Werts i_Ld des gemessenen Stroms mit dem Faktor K wird in der Multiplikationseinheit 314 ausgeführt. Am Ausgang der zweiten Additionseinheit 320 wird ein Spannungswert u_oq erhalten.

Für beide in den Multiplikationseinheiten 314, 318 ausgeführten Multiplikationen entspricht der Faktor K dem Wert 2 m f_N Lf; Für das vorliegende Beispiel weist der Faktor K den Wert 0.157 auf.

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Die Ergebnisse u_od und u_oq werden mittels d/q-Rücktransformation mittels einer Rücktransformationseinheit 321 in drei einzelne Spannungsgrößen u*_a, u*_b, u*_c rücktransformiert. Anschließend werden diese Spannungsgrößen u*_a, u*_b, u*_c durch die gefilterten Zwischenkreisspannung, die am Ausgang des Notchfilters 307 vorliegt, dividiert, um ein normiertes Ergebnis in Bezug auf die Zwischenkreisspannung zu erhalten. Anschließend wird aufgrund der konkreten Wahl von Halbbrücken im Wechselrichter zu den einzelnen Größen der Wert 0.5 addiert, sodass für die Modulation ausschließlich positive Werte im Bereich zwischen 0 und 1 zur Verfügung stehen. Diese Werte werden anschließend für die Ansteuerung der Schalter im Rahmen einer Pulsweitenmodulation verwendet.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 10 näher dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform, wobei an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede näher eingegangen wird. Die für die Darstellung verwendeten Bezugszahlen sind gegenüber den Bezugszahlen in Fig. 9 jeweils um den Wert 100 bzw. 1000 erhöht und beginnen mit der Ziffer 4 anstelle der Ziffer 3.

Während die Phase-Locked-Loop 301, 401 und der Tiefpassfilter 302, 402 der Ausführungsformen in Fig. 6 und 6a im Wesentlichen identisch aufgebaut sind, wird das aus dem Tiefpassfilter 402 erhaltene Signal bei der zweiten Ausführungsform nicht einer d/q-Rücktransformation unterzogen. Vielmehr wird in der Subtraktionseinheit 404 das d/q-transformierten Spannungssignal u_Nd um den Wert des tiefpassgefilterten Grundschwingungsspitzenwert |LJn| verringert. Da - wie auch im ersten Ausführungsbeispiel - vorgegeben wird, dass der q-Wert des von der Phase-Locked-Loop 401 erzeugten Signals den Wert 0 aufweisen soll, braucht der qWert des Spannungssignals u_Nq nicht kompensiert werden. Der so kompensierte dWert des Spannungssingais u_Nd sowie der unkompensierte q-Wert des Spannungssignals u_Nq werden der Kompensationseinheit 405 als bereinigte Störspannungsverläufe u_Sd, u_sq zugeführt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt an der Kompensationseinheit 405 das d/q-transformierte des Signals an, das im ersten Ausführungsbeispiel an der Kompensationseinheit 405 anliegt. Sofern das ermittelte Spannungssignal u_N einer exakten Sinusspannung entspricht und

17/38 insbesondere keine hochfrequenten Störungen im Spannungssignal enthalten sind, liegt an der Kompensationseinheit 405 ein Nullsignal an.

Mit der Kompensationseinheit 405 wird wiederum eine Kompensation der Spannungssignale derart durchgeführt, dass ein Sollstrom i_L* ermittelt wird, dem der Strom i_L im Bereich des Wechselrichters entsprechen muss, um hochfrequente Störungen im Spannungssignal zu eliminieren. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel, in dem die Kompensationseinheit 405 insgesamt drei gleichartige Filterschaltungen enthält, mit denen die einzelnen Phasenspannungen u_a, u_b, u_c jeweils separat gefiltert werden, brauchen in der vorliegenden zweiten Ausführungsform jeweils nur der d-Anteil und der q-Anteil der Filterung unterzogen werden. Gerade im Fall einer Filterung durch Anwendung eines Rechenverfahrens kann mit dieser Maßnahme der Rechenaufwand erheblich reduziert werden. Der konkrete Aufbau der Filter kann dabei wie bei der ersten Ausführungsform gewählt werden.

Die Spannungs- und Stromwerte (Istwerte) werden hingegen den d/qTransformationseinheiten 4062, 4063 zugeführt; wie auch bei der ersten Ausführungsform der Erfindung erhält man jeweils die d/q-Transformierten Spannungs- bzw. Stromsignale u_Nd, u_Nq, iLd, iLq- Da bei der vorliegenden zweiten Ausführungsform der Sollstrom i_L* bzw. dessen d/q-Anteile i_Ld*, ii_q* unmittelbar ermittelt werden, ist keine weitere d/q-Transformation erforderlich, eine der d/qTransformationseinheiten 3061 entsprechende d/q-Transformationseinheit ist daher bei der zweiten Ausführungsform nicht vorgesehen.

Eine weitere bevorzugte Möglichkeit der Verwendung eines vierphasigen Systems ist in den Fig. 13 und 14 näher beschrieben. In Fig. 13 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Filters 202 dargestellt, die einen netzseitigen Neutralleitereingang aufweist, an dem eine Spule Lw angeschlossen ist, die hinsichtlich ihrer Dimensionierung den übrigen Spulen Li_a, Li_b, Lie entspricht. Ebenso verfügt der Filter 202 über einen den Kondensatoren Ci_a. Ci_b, Ci_c entsprechenden Neutralleiterkondensator Cw, über den der Neutralleiter am Knoten P_o mit dem Sternpunkt 202S verbunden ist. Auch die Dimensionierung des Neutralleiterkondensators Cw entspricht der Dimensionierung der übrigen

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Kondensatoren Ci_a, Ci_b, Ci_c. Schließlich ist der Neutralleiter über eine weitere Spule l_2o an den Neutralleiteranschluss des Wechselrichters 203 angeschlossen. Auch die

Dimensionierung des der weiteren Spule L₂o entspricht der Dimensionierung der entsprechenden Spulen L_2a, L_2b, L_2c für die übrigen Phasen.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Filter 202 können zusätzlich der Strom i_Lo über den Neutralleiter sowie die Spannung u_N0 zwischen dem Neutralleiter bzw. einem auf dem Neutralleiter liegenden Knotenpunkt P_o und Erde gemessen werden. Das Vorsehen derartiger Spannungs- und Strommessgeräte A_o, V_o ist jedoch optional und abhängig von der Regelung des Potentials am Neutralleiter.

Der in Fig. 14 dargestellte Wechselrichter 203 entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 7 dargestellten Wechselrichter, verfügt jedoch über eine weitere Halbbrücke umfassend zwei zusätzliche Schalter S_Oi, S02, deren Mittelpunkt an den Neutralleitereingang des Wechselrichters 203 angeschlossen ist.

Die Regelung dieser zusätzlichen Schalter S01, Stades Wechselrichters 203 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielweise kann als Regelungsbedingung vorgegeben werden, dass die Summe der gemessenen Spannungen u_N1, u_N2, u_N3 einen vorgegebenen Spannungsverlauf, insbesondere den Wert Null oder einen Spannungsverlauf mit vorgegebener Amplitude und Frequenz ergibt. Ebenso können andere Regelungsbedingungen hinsichtlich der allenfalls gemessenen Spannungsund Strom messwerte u_N0, ii_o vorgegeben werden.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung kann zusätzlich zur Verbesserung der Filtercharakteristik der Kompensationseinheit 305, 405 ein Netzresonanz-Scan-Algorithmus implementiert werden der zyklisch, beispielsweise je Minute, je Stunde, je Tag oder je Monat, durchgeführt werden kann, um anhand der konkret messbaren Eigenschaften des Netzes 100 aktuelle kritische Resonanzen zu detektieren. Diese Informationen können vorteilhaft genutzt werden, um mit dieser Information den virtuellen Dämpfungsalgorithmus anpassen zu können.

Der Ablauf der Netzresonanzdetektion erfolgt dabei wie folgt: Zunächst wird ein Stromsollwert bzw. Sollwertverlauf mit bestimmter Frequenz und Amplitude

19/38 vorgegeben, beispielsweise mit einem Wechselstrom mit einer Spitzenstromstärke l_pk = 1A und einer Frequenz von 300Hz. Der Strom wird mittels des Wechselrichters 203 in das Netz 100 eingeprägt. In weiterer Folge wird mittels der Spannungsmesseinheit (V_a, V_b, V_c) die Netzspannungsantwort gemessen. Anschließend wir die Komponente bei jener Frequenz gemessen, die der Frequenz des aufgeprägten Stroms entspricht, im vorliegenden Fall hier also bei 300Hz. Dies kann zum Beispiel über eine PLL 301, 401 oder eine Bandpassfilterung vorgenommen werden. Übersteigt dabei die Spannungsamplitude bei 300Hz einen vorab vorgegebenen kritischen Wert, wird eine kritische Resonanz detektiert.

Ist dies nicht der Fall, kann zur nächsten Frequenz, beispielsweise 350Hz, gewechselt und das vorstehend beschriebene Vorgehen für diese Frequenz wiederholt werden. Werden bei diesen Messungen Änderungen des Netzverhaltens festgestellt, beispielsweise dann, wenn sich neu detektierte Resonanzfrequenzen nicht mit den aus den vorangehenden Messungen ermittelten Resonanzfrequenzen decken, kann das in der Kompensationseinheit 305, 405 vorgegebene Regelverhalten durch Abwandlung der Filterfunktion angepasst werden.

Um eine übermäßige Belastung des Netzes zu vermeiden, kann bei den einzelnen Messungen die für die Stromanregung herangezogene Stromstärke schrittweise erhöht werden, bis zumindest bei einer Frequenz ein Spannungs-Schwellenwert, beispielsweise von 50 Volt überschritten wird. Zudem kann gegebenenfalls anschließend die für die Stromanregung herangezogene Stromstärke in Schritten so lange reduziert werden, bis der Spannungs-Schwellenwert lediglich bei einer einzigen Frequenz überschritten wird, um die Resonanzfrequenz des Netzes zu finden und die Filtercharakteristik dementsprechend wie vorstehend beschrieben einzustellen. Besitzen Strom- und Spannungsmessung die nötige Auflösung, kann zusätzlich zur verbesserten Charakterisierung des Netzes auch noch die Netzimpedanz ermittelt werden.

Darüber hinaus kann das System weiters mittels einer Datenverbindung mit anderen Geräten verbunden sein, die über weitergehende Informationen über das Netz 100 verfügen. Auf diese Weise können auch Messergebnisse von anderen Stabilisierungsvomchtungen, die im selben Netz 100 angeordnet sind, verwendet

20/38 werden, um die Filtercharakteristik der Kompensationseinheit 305, 405 anzupassen.

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass über die Datenverbindung durch einen Übertragungsnetzbetreiber Regelungs- oder Dämpfungsalgorithmen für die

Stabilisierungsvomchtung vorgegeben werden.

Sofern aufgrund der Spannungsmessung festgestellt werden kann, dass keine hochfrequenten Anteile am jeweiligen Knoten des Elektrizitätsnetzes 100 anliegen, kann die Stabilisierungsvomchtung auch dazu verwendet werden, netzstützende Standard-Algorithmen, wie sie üblicherweise in Wechselrichtern implementiert sind, auszuführen.

Falls zu gewissen Zeitpunkten kein netzstabilisierender Betrieb benötigt wird, kann neben dem beschriebenen Dämpfungskonzept bei Bedarf auch eine netzstützende P/f- bzw. Q/U-Regelungsstrategie überlagert werden, um einen wie standardmäßig bei Invertersystemen vorgesehenen netzstützenden Betrieb zu ermöglichen bzw. an klassischen Netzregelstrategien, wie beispielsweise Primär-, Sekundär-, oder Tertiärregelung teilzunehmen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung sowie zum Ausfiltern von Störungen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs bei einem zumindest dreiphasigen

Wechselspannungsnetz (100), wobei die Vorrichtung aufweist:

- Phasenanschlüsse (200a, 200b, 200c) zum Anschluss an die Kabelverbindungen (111, ...) des Wechselspannungsnetzes (100),

- einen Wechselrichter (203) mit einem Zwischenkreiskondensator (C7),

- einen zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) angeordneten Filter (202) zum Ausfiltern von vom Wechselrichter (203) ausgehenden hochfrequenten Schaltanteilen,

- Messvorrichtungen (V_a, V_b, V_c) zur Messung des Spannungsverlaufs (u_Na, u_Nb, u_Nc) an den Phasenanschlüssen,

- Messvorrichtungen (A_a, A_b, A_c) zur Messung des Stromverlaufs (i_La, ii_b, Ilc) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c),

- eine Steuereinrichtung (204), der die einzelnen Messwerte (u_a, u_b, u_c, u_Dc ia, ib, ic) der Messvorrichtungen (V_a, V_b, V_c, V_Dc, A_a, A_b, A_c) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Steuereinrichtung (204) eine Kompensationseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, aus den ermittelten Spannungsverläufen (u_a, u_b, u_c; u_d, u_q) den durch die Netznennspannung verursachten Frequenzanteil, gegebenenfalls auch weitere Frequenzanteile, vorzugsweise rechnerisch, auszufiltern und einen Störspannungsverlauf (u_sa, u_Sb, u_sc; u_Sd, u_sq) zu erstellen, und

- die Steuereinrichtung (204) dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (203) mit

Schaltsignalen (s-ι, s₂, s₃) derart anzusteuern, dass der Stromverlauf (i_a, i_b, i_c) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) demjenigen, gegebenenfalls rechnerisch ermittelten, Stromverlauf entspricht, der auftritt, wenn der Störspannungsverlauf (u_sa, u_Sb, u_sc; u_Sd, u_sq) an eine Kompensationseinheit (305, 405) mit durch eine vorgegebene

Übertragungscharakteristik festgelegter Impedanz zugeführt ist, die insbesondere bei einer vorgegebenen zu kompensierenden Netzresonanzfrequenz verringert, vorzugsweise am geringsten, ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Messvorrichtung (V_Dc) zur Messung der Zwischenkreisspannung (u_Dc) ^am Zwischenkreiskondensator (C_Dc) des Wechselrichters (203) vorgesehen ist, und/oder

- die Steuereinrichtung (204), die gegebenenfalls der Messvorrichtung zur Messung der Zwischenkreisspannung nachgeschaltet ist, dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter (203) mit Schaltsignalen (s_a, s_b, s_c) derart anzusteuern, dass die Zwischenkreisspannung (u_Dc) einem vorgegebenen konstanten Wert entspricht.

3. Verfahren zur Stabilisierung sowie zum Ausfiltern von Störungen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs bei einem zumindest dreiphasigen Wechselspannungsnetz (100), wobei die Vorrichtung aufweist:

- Phasenanschlüsse (200a, 200b, 200c) zum Anschluss an die Kabelverbindungen (111, ...) des Wechselspannungsnetzes (100),

- einen Wechselrichter (203) mit einem Zwischenkreiskondensator (C_Dc),

- einen zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) angeordneten Filter (202) zum Ausfiltern von vom Wechselrichter (203) ausgehenden hochfrequenten Schaltanteilen,

- wobei der Spannungsverlauf (u_a, u_b, u_c) an den Phasenanschlüssen, gegebenenfalls nach Vornahme einer Filterung, gemessen wird,

- Messvorrichtungen (A_a, A_b, A_c) zur Messung des Stromverlaufs (i_a, i_b, i_c) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c),

- eine Steuereinrichtung (204), der die einzelnen Messwerte (u_a, u_b, u_c, u_Dc i_a, ib, ic) der Messvorrichtungen (V_a, V_b, V_c, V_Dc, A_a, A_b, A_c) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Spannungsverläufen (u_a, u_b, u_c; u_d, u_q) der durch die Netznennspannung verursachte Frequenzanteil, gegebenenfalls auch weitere Frequenzanteile, vorzugsweise rechnerisch, ausgefiltert wird und derart ein Störspannungsverlauf (u_sa, u_Sb, u_sc; u_Sd, u_sq) erstellt wird, und

- der Wechselrichter (203) mit Schaltsignalen (s_a, s_b, s_c) derart angesteuert wird, dass der Stromverlauf (i_a, i_b, i_c) zwischen dem Wechselrichter (203) und den Phasenanschlüssen (200a, 200b, 200c) demjenigen, gegebenenfalls rechnerisch ermittelten, Stromverlauf entspricht, der auftritt, wenn der Störspannungsverlauf (u_sa, u_Sb, u_sc; u_Sd, u_sq) an eine Kompensationseinheit (305, 405) mit durch eine vorgegebene Übertragungscharakteristik festgelegter Impedanz zugeführt ist, die insbesondere bei einer vorgegebenen zu kompensierenden Netzresonanzfrequenz verringert, vorzugsweise am geringsten, ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Zwischenkreisspannung (u_Dc) am Zwischenkreiskondensator (Cdc) des Wechselrichters (203) gemessen wird, und/oder

- der Wechselrichter (203) derart mit Schaltsignalen (s_a, s_b, s_c) angesteuert wird, dass die Zwischenkreisspannung (u_Dc) einem vorgegebenen konstanten Wert entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass aktuell keine zu kompensierenden Störungen vorhanden sind, für unterschiedliche Frequenzen die Impedanz des Netzes und/oder die Spannungsantwort bei einer vorgegebenen Stromanregung bei einer vorgegebenen Frequenz gemessen und für den Fall, dass die ermittelte Impedanz und/oder Spannung einen vorgegebenen Impedanz- oder Spannungs-Schwellenwert überschreitet, die Übertragungscharakteristik des Kompensationseinheit (305,405) an diese Frequenz angepasst wird, wobei insbesondere die Impedanz der Kompensationseinheit (305, 405) bei dieser Frequenz verringert, insbesondere am geringsten, ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Messungen die für die Stromanregung herangezogene Stromstärke schrittweise erhöht wird, bis zumindest bei einer Frequenz ein Spannungs-Schwellenwert überschritten wird, und gegebenenfalls anschließend die für die Stromanregung herangezogene Stromstärke in Schritten so lange reduziert wird, bis der Spannungs-Schwellenwert lediglich bei einer einzigen Frequenz überschritten wird.