CH719715A2 - Electronic voltage regulator in distribution networks EVOCDTR. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Netzspannung, bestehend aus einem Transformator, der in Serie zwischen einem Eingang und einem Ausgang geschaltet ist, einem bidirektionalen dreiphasigen Wechselrichter, einem bidirektionalen dreiphasigen Gleichrichter, einem Gleichspannungszwischenkreis zur Verbindung des Gleichrichters mit dem Wechselrichter, einer Schaltung zum Ausgleich des Mittelpunkts von DC-Spannungen und einem Anschluss zum Anschliessen eines Speichersystems an den Gleichspannungszwischenkreis. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der erfindungsgemässen Vorrichtung.The invention relates to a device for stabilizing the mains voltage, consisting of a transformer which is connected in series between an input and an output, a bidirectional three-phase inverter, a bidirectional three-phase rectifier, a DC intermediate circuit for connecting the rectifier to the inverter, a circuit for Balancing the midpoint of DC voltages and a connection for connecting a storage system to the DC intermediate circuit. The invention further relates to a method for controlling the device according to the invention.

Description

Technisches Gebiet:Technical area:

[0001] Die Erfindung betrifft die Spannungsqualitätsverbesserung in Niederspannungsverteilnetzen The invention relates to improving voltage quality in low-voltage distribution networks

Stand der Technik:State of the art:

[0002] Die Betriebssituation in Niederspannungsnetzen ist einem starken Wandel unterworfen. Ursprünglich wurde die elektrische Energie zentral in Grosskraftwerken erzeugt und über das Übertragungs- und Verteilnetz den Konsumenten zugeführt. Die Lasten wiesen grösstenteils lineares Verhalten auf, vorwiegend ohmsch und induktiv. Für die Spannungsqualität war dies eine vorteilhafte Situation. In den vergangenen Jahren ist die Anzahl elektronischer Lasten und Quellen stark gestiegen. Das nichtlineare Verhalten - von z.B. geregelten Antrieben und anderen netzseitigen Wechselrichter Topologien - verursacht Oberwellenströme und diese beeinträchtigen dadurch die Spannungsqualität. Jede netzseitige Leistungselektronik verändert in einem Verteilernetz die Impedanzverhältnisse. [0002] The operating situation in low-voltage networks is subject to significant change. Originally, electrical energy was generated centrally in large power plants and delivered to consumers via the transmission and distribution network. The loads exhibited mostly linear behavior, predominantly ohmic and inductive. This was an advantageous situation for voltage quality. In recent years, the number of electronic loads and sources has increased significantly. The non-linear behavior - e.g. of controlled drives and other grid-side inverter topologies - causes harmonic currents and these thereby affect the voltage quality. Every network-side power electronics changes the impedance conditions in a distribution network.

[0003] Auch ist der Energiefluss heute nicht mehr auf eine Richtung beschränkt. Die Anzahl der dezentralen Einspeisungen, vor allem durch Photovoltaik, wird weiter zunehmen. Eine Entwicklung, die durchaus gewollt ist. Durch den bidirektionalen Betrieb wird es zunehmend schwieriger die Spannung in den zulässigen Toleranzgrenzen zu halten. [0003] Today, the flow of energy is no longer limited to one direction. The number of decentralized feed-ins, especially through photovoltaics, will continue to increase. A development that is definitely intentional. Bidirectional operation makes it increasingly difficult to keep the voltage within the permissible tolerance limits.

[0004] Am Markt sind Stufentransformatoren erhältlich, die die Spannung zwar in Stufen anpassen können, aber weder Asymmetrien noch Oberwellen kompensieren können. Eine typische Ursache von Asymmetrien kann zum Beispiel eine einphasige PV-Einspeisung darstellen. Dies kann mit einem Stufentransformator nicht behoben werden. Fernerhin war die Erweiterung und Ausbau der Netzsysteme seitens der Energielieferanten eine Möglichkeit diese Verteilnetzspannung zu stabilisieren. In elektronischer Form stehen u.a. mit Thyristor geschaltete Stufenschalter zur Verfügung. Alle weiteren technischen Lösungen, die nach aktuellem Kenntnisstand erhältlich sind, können nur den Spannungseffektivwert korrigieren. Step transformers are available on the market that can adjust the voltage in steps, but cannot compensate for asymmetries or harmonics. A typical cause of asymmetries can, for example, be a single-phase PV feed-in. This cannot be fixed with a step transformer. Furthermore, the expansion and expansion of the network systems on the part of the energy suppliers was an opportunity to stabilize this distribution network voltage. In electronic form, step switches connected with a thyristor are available. All other technical solutions that are available based on current knowledge can only correct the effective voltage value.

Aufgabe der Erfindung:Task of the invention:

[0005] Die grundlegende Aufgabe der Innovation ist die Kombination aller drei Kompensationsmöglichkeiten der Netzspannung: • Regelung des Effektivwertes der Netzspannung auf den gewünschten Sollwert • Reduktion der Spannungsasymmetrien verursacht durch grosse, einphasige Verbraucher (z.B. einphasigen E-Ladestationen oder einphasigen PV-Analgen,) • Kompensation der Spannungsoberwellen nichtlinearer Erzeuger und/oder Verbraucher[0005] The basic task of the innovation is the combination of all three compensation options for the mains voltage: • Control of the effective value of the mains voltage to the desired setpoint • Reduction of voltage asymmetries caused by large, single-phase consumers (e.g. single-phase electric charging stations or single-phase PV systems,) • Compensation of the voltage harmonics of non-linear producers and/or consumers

[0006] Hierbei ist eine besondere Herausforderung einen Regelalgorithmus und eine Hardware zu entwickeln, die einerseits die Netzimpedanzverhältnisse nicht verändert und andererseits keine Risiken für Resonanzen im Verteilnetz erzeugt. Das Verteilnetz und seine Verbraucher dürfen zu keinem Zeit- und Betriebspunkt von dem elektronischen Spannungsregler in Ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden, was typischerweise Leitungselektronik wie Aktivfilter in Verteilernetze verursachen. [0006] A particular challenge here is to develop a control algorithm and hardware that, on the one hand, does not change the network impedance conditions and, on the other hand, does not create any risk of resonances in the distribution network. The functionality of the distribution network and its consumers must not be impaired by the electronic voltage regulator at any time or operating point, which is typically caused by line electronics such as active filters in distribution networks.

Darstellung der Erfindung:Presentation of the invention:

[0007] In Abbildung 1 ist die grundsätzliche Idee des elektronischen Spannungsreglers vereinfacht dargestellt. Dabei wird ein Transformator zwischen das asymmetrische Netz und das zu korrigierende Netz geschaltet. Mittels einer Leistungselektronikschaltung wird eine Spannung Ulnv über diesem Transformator erzeugt, die in Phase zur Eingangsspannung UUnb ist. Addiert zu dieser Eingangsspannung ergibt sich ein balanciertes Dreiphasensystem mit einer einstellbaren Spannung UBal. Hierbei werden nicht nur der Effektivwerte und Asymmetrien korrigiert, sondern auch Spannungsoberwellen werden reduziert. Die Energie für die Regelung wird mit einem bidirektionalen Gleichrichter von der Eingangsseite bezogen. Da der Transformator in Reihe zu den Verbrauchern geschaltet wird, fliesst über den Wechselrichter ein eingeprägter Ausgangsstrom, der über das Übersetzungsverhältnis n proportional zum Phasenstrom ist. [0007] The basic idea of the electronic voltage regulator is shown in simplified form in Figure 1. A transformer is connected between the asymmetrical network and the network to be corrected. Using a power electronics circuit, a voltage Ulnv is generated across this transformer, which is in phase with the input voltage UUnb. Added to this input voltage results in a balanced three-phase system with an adjustable voltage UBal. Not only are the effective values and asymmetries corrected, but voltage harmonics are also reduced. The energy for the control is obtained from the input side using a bidirectional rectifier. Since the transformer is connected in series with the consumers, an impressed output current flows through the inverter, which is proportional to the phase current via the transformation ratio n.

Vorteil:Advantage:

[0008] Durch diese Lösung können alle drei Korrekturmassnahmen stufenlos mit einer Soft- und Hardwarekomponente zur einfachen und schnellen Verbesserung der Verteilnetze ausgeführt werden. Aufgrund der flexiblen Ausführung dieser Hardware kann das System auch mobil in Verteilnetzen für eine temporäre Aufstellung eingesetzt werden. Bei festen Ortsregeltransformatoren und baulichen Massnahmen des Netzausbaus ist dies nicht möglich. With this solution, all three corrective measures can be carried out continuously with one software and hardware component for simple and quick improvement of the distribution networks. Due to the flexible design of this hardware, the system can also be used mobile in distribution networks for temporary installation. This is not possible with fixed local control transformers and structural measures for network expansion.

[0009] Das Grundprinzip inklusive Messungen dieser Erfindung kann auch einfach auf Mittelspannungsebene übertragen werden, indem die primäre Einspeiseseite direkt auf die Mittelspannungsebene geschaltet wird und die Regelung auf der Niederspannungsseite sekundärseitig gemacht wird, wie es genau mit diesem Konzept realisiert wurde. The basic principle, including measurements, of this invention can also be easily transferred to the medium-voltage level by switching the primary feed-in side directly to the medium-voltage level and making the regulation on the low-voltage side secondary, as was implemented precisely with this concept.

Abbildungen:Illustrations:

[0010] [1] Grundprinzip des elektronischen Spannungsreglers „EVOCDTR“ [2] Korrektur des asymmetrischen Netzes [3] Spannungsoberwellen vor und nach der Kompensation [4] Übersicht von Smart Grids mit dem elektronischen Spannungsregler [5] Blockdiagram der Hauptkomponenten [6] Detaildarstellung möglicher Hardwarekomponenten [7] Regelstruktur Wechselrichter [8] Regler Übertragungsfunktion [9] Regelstruktur Mittelpunktsausgleich[0010] [1] Basic principle of the electronic voltage regulator “EVOCDTR” [2] Correction of the asymmetrical network [3] Voltage harmonics before and after compensation [4] Overview of smart grids with the electronic voltage regulator [5] Block diagram of the main components [6] Detailed representation possible hardware components [7] Inverter control structure [8] Controller transfer function [9] Midpoint compensation control structure

Detaillierte Beschreibung der Erfindung (Lösungsansatz):Detailed description of the invention (solution approach):

[0011] Mittels einer Leistungselektronik wird über einen seriellen Einspeisetransformator die Spannung beeinflusst. Das Prinzipschema in Abbildung 1 zeigt die Idee. Die Spannung UBalsoil auf einen definierten Wert geregelt werden, sodass am Ausgang ein symmetrisches und möglichst oberwellenfreies Dreiphasennetz zur Verfügung gestellt wird. Zur ungeregelten Spannung UUnbwird über einen Einspeisetransformator die notwendige Spannungsdifferenz addiert, bzw. subtrahiert. Die benötigte Spannung wird mit einem Wechselrichter erzeugt. Dieser muss eine sehr effiziente Regelstruktur aufweisen, damit auch Spannungsoberwellen ausgeregelt werden können. Es wird also nicht lediglich der Effektivwert der Spannung angepasst, sondern der Momentanwert innerhalb einer Netzperiode korrigiert. The voltage is influenced by power electronics via a serial feed transformer. The principle diagram in Figure 1 shows the idea. The voltage UBalsoil can be regulated to a defined value so that a symmetrical and, if possible, harmonic-free three-phase network is provided at the output. The necessary voltage difference is added or subtracted to the unregulated voltage UUnb via a feed transformer. The required voltage is generated with an inverter. This must have a very efficient control structure so that voltage harmonics can also be corrected. So not only is the effective value of the voltage adjusted, but the instantaneous value is corrected within one network period.

[0012] Für diese Spannungskorrektur muss eine gewisse Leistung zur Verfügung gestellt werden. Diese wird direkt von der ungeregelten Seite über eine aktive und leistungsbidirektionale Gleichrichterschaltung bezogen. A certain amount of power must be made available for this voltage correction. This is obtained directly from the unregulated side via an active and power bidirectional rectifier circuit.

[0013] Eine der Hauptherausforderungen ist die Implementation einer geeigneten Regelstruktur inklusive der notwendigen genauen Spannungs- und Strommessungen. Im Rahmen einer Masterthesis wurde das Konzept voruntersucht. Mit dem realisierten Aufbau konnten die Effektivwerte der drei Phasenspannungen individuell um 10 % nach unten oder nach oben angepasst werden. Andere Korrekturbereiche sind abhängig vom Hardwaredesign möglich. Abbildung 2 zeigt Messdaten für eine asymmetrische Netzsituation. Zudem konnten mit dem Funktionsmuster die Spannungsoberwellen bis zur 13. harmonischen deutlich gesenkt werden, wie auch in Abbildung 3 aufgezeigt. Die Ordnung der zu kompensierenden Oberwellen ist vom Hardwaredesign abhängig. Eine mögliche Realisierung ist in Abbildung 6 dargestellt. Anstatt einem zweistufigen Gleich- bzw. Wechselrichter können auch mehrstufige Topologien eingesetzt werden, solange diese bidirektional sind. Notwendige Netzfilter sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. One of the main challenges is the implementation of a suitable control structure including the necessary precise voltage and current measurements. The concept was pre-examined as part of a master’s thesis. With the implemented structure, the effective values of the three phase voltages could be individually adjusted downwards or upwards by 10%. Other areas of correction are possible depending on the hardware design. Figure 2 shows measurement data for an asymmetrical network situation. In addition, the functional model was able to significantly reduce the voltage harmonics up to the 13th harmonic, as shown in Figure 3. The order of the harmonics to be compensated depends on the hardware design. A possible implementation is shown in Figure 6. Instead of a two-stage rectifier or inverter, multi-stage topologies can also be used, as long as they are bidirectional. Necessary line filters are not shown for simplicity.

Claims (4)

1. Ein Apparat zur Stabilisierung und zur Verbesserung der Qualität der Netzspannung bestehend aus: a. Einem Transformator, der in Serie zwischen Eingang und Ausgang geschalten wird b. Einem bidirektionalen dreiphasigen Wechselrichter c. Einem bidirektionalen dreiphasigen Gleichrichter d. Einen Gleichspannungszwischenkreis zur Verbindung des Gleich- und Wechselrichters e. Eine Schaltung zum Ausgleich des Mittelpunkts der DC-Spannungen f. Einen Anschluss für ein Speichersystem an den Zwischenkreis1. An apparatus for stabilizing and improving the quality of the mains voltage consisting of: a. A transformer connected in series between input and output b. A bidirectional three-phase inverter c. A bidirectional three-phase rectifier d. A DC intermediate circuit to connect the rectifier and inverter e. A circuit for balancing the midpoint of DC voltages f. A connection for a storage system to the intermediate circuit 2. Über den Einspeisetransformator in 1.a. wird durch den Wechselrichter 1.b. eine Spannung Ulnv generiert, die sich zur Eingangsspannung UUnb addiert und die Ausgangsspannung UBal ergibt. Mit dieser Spannung kann: a. Der Effektivwert der einzelnen Phasenspannungen geregelt werden b. Asymmetrien in den Phasenspannungen am Eingang korrigiert werden c. Oberwellen in den einzelnen Phasenspannungen kompensiert werden.2. Via the feed transformer in 1.a. is provided by the inverter 1.b. generates a voltage Ulnv, which is added to the input voltage UUnb and results in the output voltage UBal. With this voltage you can: a. The effective value of the individual phase voltages can be regulated b. Asymmetries in the phase voltages at the input can be corrected c. Harmonics in the individual phase voltages are compensated for. 3. Eine Methode zur Regelung des Apparats angegeben in Punkt 1 und 2, die folgendes beinhaltet: a. Eine Regelstruktur zur Regelung des DC-Anteils des Wechselrichterausgangsstroms IOut,Lx jeder einzelnen Phase auf 0 b. Eine Regelstruktur zur Regelung des Mittelpunkts der Zwischenkreisspannungen c. Eine Regelstruktur zur Regelung der Grundwelle in jeder einzelnen Phase der Ausgangsspannung UBal d. Eine Regelstruktur für jede zu kompensierende Oberwelle in jeder einzelnen Phase der Ausgangsspannung UBal e. Einen überlagerten RMS-Regler für jede einzelne Phase der Ausgangsspannung UBal zur Ausregelung des Effektivwertes f. Die Gesamtheit der Regelstruktur vermeidet Schwingungen bzw. Resonanzen im Netz.3. A method of regulating the apparatus specified in points 1 and 2, which includes the following: a. A control structure for controlling the DC component of the inverter output current IOut,Lx of each individual phase to 0 b. A control structure for controlling the midpoint of the DC link voltages c. A control structure for controlling the fundamental wave in each individual phase of the output voltage UBal d. A control structure for each harmonic to be compensated in each individual phase of the output voltage UBal e. A superimposed RMS controller for each individual phase of the output voltage UBal to regulate the effective value f. The entire control structure avoids oscillations or resonances in the network. 4. Die Möglichkeit zur Speicherung von Energie über 1.e. wenn lokale Überspannungen im Netz kompensiert werden.4. The possibility of storing energy via 1.e. when local overvoltages in the network are compensated for.