DE4224037C2 - Abgestimmter Filterkreis einer Filterkreisanlage für Energieverteilnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen abgestimmten Filterkreis einer Filterkreisanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartig abgestimmter Filterkreis einer Filterkreisanlage ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 318 790 A1 bekannt.

Beim Betrieb von Stromrichtern, beispielsweise bei der Umformung des Stromes mittels einer Hochspannungs-Gleich­ strom-Übertragungs-(HGÜ-)Station, entstehen in den wechsel­ stromseitigen Zuleitungen des Stromrichters Oberschwingungsströme mit Frequenzen, welche ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind. Diese werden in das angeschlossene Drehstromnetz eingespeist und erzeugen an der Netzimpedanz Oberschwingungsspannungen, die eine Verzerrung der Betriebs­ spannung zur Folge haben. Von besonderer Bedeutung sind hierbei die sogenannten charakteristischen Oberschwingungen niedriger Ordnungszahl, bei denen die Oberschwingungsströme einen beträchtlichen Anteil des Grundschwingungsstromes erreichen können. Diese Oberschwingungsströme können im Dreh­ stromnetz zur Beeinflussung von Telefonleitungen und anderen Informationssystemen führen. Die Spannungsverzerrung im Dreh­ stromnetz muß deshalb in Grenzen gehalten werden.

Zum Fernhalten der Oberschwingungsströme vom Wechselstromnetz und damit zur Reduktion der Spannungsverzerrung werden vielfach Drehstromfilterkreise, auch Saugkreise genannt, eingesetzt. Sie werden im Wechselstromnetz parallel zur Oberschwingungswelle geschaltet. Jeder Saugkreis besteht in seiner einfachsten Ausführungsart aus einer Reihenschaltung eines Kondensators und einer Drossel. Abgestimmt auf eine bestimmte Frequenz (Frequenz eines dominant auftretenden Oberschwingungsstromes) bildet dieser Saugkreis für diese Frequenz eine sehr kleine Impedanz, was zur Folge hat, daß der entsprechende Oberschwingungsstrom anstatt ins Energieverteilnetz zum größten Teil in den Saugkreis fließt.

Aus Kostengründen ist man daran interessiert, die Grund­ schwingungs-Blindleistung und damit die Baugröße eines der­ artigen Saugkreises möglichst klein zu halten. Zur Kompen­ sation einer Blindleistung die größer ist als die Grund­ schwingungs-Blindleistung eines Filters, werden dann ent­ sprechend mehrere Filter für eine bestimmte Frequenz benö­ tigt. Im Aufsatz "Drehstromfilterkreise für Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragungs-Stationen" von Dr. Povh, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Siemens-Energietechnik", Band 6, 1984, Heft 3, Seiten 130 bis 134, sind verschieden ausgeführte Filterkreisanlagen beschrieben und im einzelnen dargestellt.

Außerdem sind in diesem Aufsatz die wesentlichen Filteran­ ordnungen für eine Drehstrom-Filteranlage vorgestellt. Die bereits vorgestellte einfachste Ausführungsart wird als ab­ gestimmtes Fiter bezeichnet, mit dem eine sehr niedrige Im­ pedanz bei der Resonanzfrequenz, auch bei relativ kleiner Grundschwingungs-Blindleistung des Filterkreises, erreicht wird. Der Nachteil des abgestimmten Filters ist die Verstim­ mung infolge von Frequenzabweichungen im Netz oder aufgrund der Kondensatorkapazitäts-Änderung infolge einer Temperatur­ änderung.

Eine weitere Filteranordnung ist der Hochpaß, der im Ver­ gleich mit dem abgestimmten Filter eine höhere Impedanz bei der Resonanzfrequenz aufweist, jedoch unempfindlich gegen­ über Kapazitätsänderungen und großen Frequenzabweichungen im Netz ist.

Muß man Filterkreise bei relativ kleiner Grundschwingungs- Blindleistung bauen, um bei mehreren Resonanzfrequenzen niedrige Impedanzen zu erreichen, so ist der Einsatz von Doppelfilterkreisen vorteilhaft. Diese weisen zwei Impedanz­ minima auf, wobei nur eine Kondensatorbatterie für Hochspannung aufgebaut werden muß. Darin ist auch der wesentliche Kostenvorteil dieser Filteranordnung begründet.

Sollen Oberschwingungsströme bei mehreren charakteristischen Oberschwingungen niedriger Ordnungszahl gefiltert werden, müssen mehrere Filterkreise für die unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden. Dabei können auch die verschiedenen Filteranordnungen kombiniert werden, wie aus dem aufgeführten Aufsatz ersichtlich ist.

Bei der Verwendung einer derartigen Filterkreisanlage zur stufenweisen Blindleistungskompensation, wobei je nach Blind­ leistungsanforderungen in Stufen Filterkreise wahlweise zu- oder abgeschaltet werden, verschlechtert sich die Filterungs­ eigenschaft bei sinkender zu kompensierender Blindleistung. Außerdem weist jeder Filterkreis einen Hochspannungs-Kondensator auf, wodurch eine derartige Filterkreisanlage recht kostspielig ist und sehr viel Platz benötigt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen mehrfach abgestimmten Filterkreis anzugeben, mit dem weitere Oberschwingungsströme gefiltert werden können, wobei dessen Aufbau besonders platz- und kostensparend ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Filterung weiterer Oberschwingungsströme eine entsprechende Anzahl weiterer entsprechend abgestimmter Parallelschaltungen vorgesehen ist, die jeweils aus einem Kondensator und einer Drossel bestehen, wobei diese weiteren Parallelschaltungen elektrisch in Reihe und diese Reihenschaltung der weiteren Parallel­ schaltungen elektrisch in Reihe zur ersten Parallelschaltung geschaltet sind.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Filterkreises erhält man einen mehrfach abgestimmten Filterkreis, der für vier, fünf oder n Resonanzfrequenzen abgestimmt ist. Gegenüber einem herkömmlichen mehrfach abgestimmten Filterkreis (bestehend aus jeweils einer Filteranordnung pro Resonanzfrequenz), wird beim erfindungsgemäßen Filterkreis nur ein Hochspannungs-Kondensator benötigt, wodurch mindestens ein bis zwei Hochspannungs-Kondensatoren eingespart werden. Durch diese Einsparung an Hochspannungs-Kondensatoren verringern sich erheblich die Kosten, da der Kostenanteil des Hochspannungs- Kondensators bezüglich des Filterkreises 80 bis 90% beträgt. Da bekanntlich der Hochspannungs-Kondensator (DE-Zeitschrift "ABB Technik", März 1990, Seiten 15 bis 22) aus mehreren Kondensatoreinheiten (beispielsweise 50 bis 60 Einheiten) besteht, die in einem Gerüst eingebaut sind, benötigt ein solcher Hochspannungs-Kondensator eine entsprechende Stellfläche. Durch die Einsparung von mehreren Hochspannungs-Kondensatoren gegenüber einem herkömmlichen mehrfach abgestimmten Filterkreis ist der Aufbau des erfin­ dungsgemäßen mehrfach abgestimmten Filterkreises besonders platzsparend.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines abgestimmten Filterkreises einer Filterkreisanlage sind mehrere abgestimmte Filterkreise vorhanden, deren Abstimmungen gleich sind und die für unterschiedliche Grundschwingungs-Blindleistungen ausgelegt sind.

Durch den Aufbau der Filterkreisanlage mittels mehrerer erfindungsgemäßer Filterkreise, die insbesondere identisch aufgebaut sind, wird bei stufenweiser Zu- oder Abschaltung einzelner Filterkreise die Blindleistung stufenweise ange­ paßt, jedoch nicht das charakteristische Frequenzverhalten der Filterkreisanlage geändert. Außerdem machen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Filterkreises bei dieser Filterkreisanlage besonders bemerkbar.

Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Filter­ kreises und der erfindungsgemäßen Filterkreisanlage wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines mehrfach abgestimmten Fil­ terkreises nach der Erfindung und in

Fig. 2 ist der Aufbau einer Filterkreisanlage, bestehend aus mehreren Filterkreisen nach Fig. 1, dargestellt.

In Fig. 1 ist an einer Leitung 2 zwischen einem Leitungs­ pol und Erde ein n-fach abgestimmter Filterkreis 4 ange­ schlossen. Dieser Filterkreis 4 besteht aus einer Reihen­ schaltung eines Hochspannungs-Kondensators C₁, einer ersten Drossel L₁ und n Parallelschaltungen 6, die jeweils aus einem Kondensator C₂, . . ., C_n und einer Drossel L₂, . . ., L_n bestehen.

Der Hochspannungs-Kondensator C₁ ist das Leistungselement dieses Filterkreises 4, mit dem die Ankopplung zur Hoch­ spannung der Leitung 2 und die Trennung vom niedrigen Span­ nungsniveau erreicht wird. Außerdem wird beim Einsatz dieses Filterkreises 4 zur Blindleistungskompensation vom Hochspannungs-Kondensator C₁ die gewünschte kapazitive Blindleistung Q bereitgestellt. Diese entspricht

Q ∼ U² · ω · C₁,

wobei U die Netzspannung und ω die Kreisfrequenz des Ener­ gieverteilnetzes sind.

Die n Parallelschaltungen 6 sind jeweils auf eine vorbe­ stimmte Resonanzfrequenz, beispielsweise die 5., 7., 11., 13. und 24. Oberschwingung der Grundschwingung des Energiever­ teilnetzes, abgestimmt. Die Kondensatoren C₂, . . ., C_n sind keine Hochspannungs-Kondensatoren, da an diesen n Parallel­ schaltungen 6 nur noch eine Teilspannung der Netzspannung U abfällt. Gegenüber einem herkömmlichen Filterkreis, abge­ stimmt für die 5., 7., 11., 13. und 24. Oberschwingung, werden vier Hochspannungs-Kondensatoren eingespart, wodurch erhebliche Kosten- und Platzvorteile erzielt werden.

In Fig. 2 ist ein Aufbau einer Filterkreisanlage 8 näher dargestellt, wobei an der Leitung 2 drei Filterkreise 4 nach Fig. 1 mittels Leistungsschalter 10 angeschlossen sind. Als Energieverteilnetz ist ein Drehstromnetz vorgese­ hen. Diese drei Filterkreise 4 sind jeweils auf n identi­ schen Resonanzfrequenzen abgestimmt. Jeder Filterkreis 4 stellt eine kapazitive Blindleistung Q₁, Q₂ und Q₃ zur Ver­ fügung. Diese Blindleistungen Q₁, Q₂ und Q₃ können gleich oder unter­ schiedlich sein und sind vom Anwendungsfall abhängig. Mit­ tels der Leistungsschalter 10 können die n-fach abgestimm­ ten Filterkreise 4 in Stufen wahlweise zu- oder abgeschal­ tet werden, wobei die Blindleistung Q in Stufen je nach den Blindleistungsanforderungen kompensiert wird. Bei einer derartig ausgestalteten Filterkreisanlage 8 ändert sich das charakteristische Frequenzverhalten dieser Filterkreisan­ lage 8 gegenüber einer herkömmlichen Filterkreisanlage im Falle von stufenweiser Zu- oder Abschaltung einzelner Fil­ terkreise 4 nicht, da die Filterkreise 4 identisch abge­ stimmt sind. Außerdem ist jeder Filterkreis 4 auf alle Ober­ schwingungen, die im Energieverteilnetz gefiltert werden sollen, abgestimmt, so daß im Falle von stufenweiser Zu- oder Abschaltung von Filterkreisen 4 sich nur der Wert der kapazitiven Blindleistung Q ändert und nicht, wie bei her­ kömmlichen Filterkreisanlagen, auch Resonanzfrequenzen zu- oder abgeschaltet werden. Die erheblichen Platz- und Kosten­ vorteile des n-fach abgestimmten Filterkreises 4 nach Fig. 1 kommen bei einer Filterkreisanlage 8, die aus mehreren solcher Filterkreisen 4 aufgebaut ist, besonders stark zur Geltung.

Claims (2)

1. Abgestimmter Filterkreis (4) einer Filterkreisanlage (8) für ein mit Stromrichtern verbundenes Energiever­ teilnetz zur Filterung von Oberschwingungsströmen, bestehend aus einer Reihenschaltung eines Hochspannungs-Kondensators (C₁) und einer ersten Drossel (L₁), einer ersten, auf einen ersten Oberschwingungsstrom abgestimmten Parallelschaltung (6) eines ersten Kondensators (C₂) und einer zweiten Drossel (L₂), wobei diese Reihenschaltung und diese erste Parallelschaltung (6) elektrisch in Reihe ge­ schaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Filterung weiterer Oberschwingungsströme eine entsprechende Anzahl weiterer entsprechend abgestimmter Parallelschaltungen (6) vorgesehen ist, die jeweils aus einem Kondensator (C₃, . . ., C_n) und einer Drossel (L₃, . . ., L_n) bestehen, wobei diese weiteren Parallelschaltungen (6) elektrisch in Reihe und diese Reihen­ schaltung der weiteren Parallelschaltungen (6) elektrisch in Reihe zur ersten Parallelschaltung (6) geschaltet sind.

2. Abgestimmter Filterkreis (4) einer Filterkreis­ anlage (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere abgestimmte Filterkreise (4) vorhanden sind, deren Abstimmungen gleich sind und die für unterschiedliche Grundschwingungs- Blindleistungen (Q₁, Q₂, Q₃) ausgelegt sind.