WO2010136335A2

WO2010136335A2 - Vorrichtung zur kompensation von oberschwingungen

Info

Publication number: WO2010136335A2
Application number: PCT/EP2010/056543
Authority: WO
Inventors: Martin Pieschel; Steven Liu
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: WO2010136335A3; EP2436092B1; EP2436092A2; DE102009023626A1

Abstract

Um eine Vorrichtung (1) zur Kompensation von in Stromverläufen auftretenden Oberschwingungen in einem Hochspannungsnetz (5) mit einem passiven Filter (2) und einer steuerbaren Spannungsquelle (3), die über das passive Filter (2) mit dem Hochspannungsnetz (5) in Parallelschaltung verbindbar ist, und mit einer Regelungseinheit (4), die in Abhängigkeit der erfassten Oberschwingungen einen Sollstrom iSoll ermittelt, welcher der negativen zu kompensierenden Oberschwingung entspricht, wobei der Sollstrom iSoll mit einem von der steuerbaren Spannungsquelle (3) erzeugten Kompensationsstrom iKomp unter Gewinnung einer Regeldifferenz verglichen wird und die Regeldifferenz einem über Reglerparameter (K1, K2, K3) in seinem dynamischen Verhalten einstellbaren Regler zugeführt wird, der an seinem Ausgang eine Stellspannung uKomp für die steuerbare Spannungsquelle (3) bereitstellt, so dass diese einen Kompensationsstrom uKomp treibt, der dem Sollstrom iSoll möglichst entspricht, bereitzustellen, die eine schnelle und stabile Regelung der Oberschwingungskompensation ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Regelungseinheit (4) Mittel zum Modellieren der Dynamik des passiven Filters (2) aufweist, und dass die Mittel zum Modellieren der Dynamik des passiven Filters (2) Reglerparameter (K1, K2, K3) bereitstellen, wobei der Regler mit Hilfe der Reglerparameter (K1, K2, K3) so eingestellt ist, dass Eigenschwingungen des passiven Filters (2) vermieden sind.

Description

Beschreibung

Vorrichtung zur Kompensation von Oberschwingungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von in Stromverläufen auftretenden Oberschwingungen in einem Hochspannungsnetz mit einem passiven Filter und einer steuerbaren Spannungsquelle, die über das passive Filter mit dem Hochspannungsnetz in Parallelschaltung verbindbar ist, und mit einer Regelungseinheit, die in Abhängigkeit der erfassten Oberschwingungen einen Sollstrom i_SoU ermittelt, welcher der negativen zu kompensierenden Oberschwingung entspricht, wobei der Sollstrom i_Soll mit einem von der steuerbaren Spannungsquelle erzeugten Kompensationsstrom i_Komp unter Gewinnung ei- ner Regeldifferenz verglichen wird und die Regeldifferenz einem über Reglerparameter in seinem dynamischen Verhalten einstellbaren Regler zugeführt wird, der an seinem Ausgang eine Stellspannung u_Komp für die steuerbare Spannungsquelle bereitstellt, so dass diese einen Kompensationsstrom i_Komp treibt, der dem Sollstrom i_SoU möglichst entspricht.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kompensation von in Stromverläufen auftretenden Oberschwingungen in einem Hochspannungsnetz mittels einer steuerbaren Spannungsquelle, die über ein passives Filter in Parallelschaltung mit dem

Hochspannungsnetz verbunden ist, bei dem ein die Oberschwingungen kompensierender Sollstrom i_SoU ermittelt, der Sollstrom i_SoU mit einem von der steuerbaren Spannungsquelle erzeugten Kompensationsstrom i_Komp unter Gewinnung einer Regeldifferenz verglichen und die Regeldifferenz einem über Reglerparameter in seinem dynamischen Verhalten einstellbaren Regler zuge- führt wird, der an seinem Ausgang eine Stellspannung u_Komp für die steuerbare Spannungsquelle bereitstellt, so dass diese einen Kompensationsstrom i_Komp treibt, der dem Sollstrom i_Soll möglichst entspricht.

Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der DE 102 44 056 B3 bereits bekannt. Dort ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Satzes von Steuersignalen für einen Umrichter eines aktiven Filters zur Kompensation von Ober- Schwingungen beschrieben. In einem ersten Schritt wird gemäß dem vorbekannten Verfahren der Strom, welcher die zu kompensierende Oberschwingung umfasst, gemessen. Das gemessene analoge Stromsignal wird anschließend digitalisiert und der Grundschwingungsanteil aus den Messsignalen eliminiert. Auf die Messwerte wird eine transformierte Regelfunktion des PI- Reglers angewandt. Die Ausgangsgrößen des PI-Reglers werden anschließend aufsummiert, wobei diese Summe als Sollstromwert an die Regeleinrichtung eines IGBT-Umrichters übertragen wird.

Die DE 10 2004 019 518 Al beschreibt ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung der Regelung einer steuerbaren Spannungsquelle. Insbesondere ist dort ausgeführt, dass die dreiphasig erfassten Messsignale des Verbraucher- Stromes mit Hilfe einer Clark-Transformation in zwei Messwerte α, ß umgewandelt werden, die dann anschließend mit Hilfe einer Park-Transformation in ein rotierendes Koordinatensystem übertragen werden, so dass bei der Regelung lediglich Gleichgrößen zu berücksichtigen sind.

In der WO 99/67868 ist eine Vorrichtung zur Kompensation von Oberschwingungen beschrieben, wobei die besagte Vorrichtung ein aktives Filter, also eine steuerbare Spannungsquelle, und ein passives Filter aufweist, wobei das aktive Filter über das passive Filter mit einer Hochspannungsleitung in Parallelschaltung verbunden ist.

Die eingangs genannte Vorrichtung und das gattungsgemäße Verfahren weisen den Nachteil auf, dass Eigenschwingungen des passiven Filters bei der Regelung nicht berücksichtigt werden. Dies hat sich in sofern als nachteilig herausgestellt, als Regler, denen mit Hilfe von Stellparametern eine hochdy- namische Charakteristik aufgeprägt wurde, ein instabiles Regelverhalten zeigten. Diesem Problem wurde durch die Einstellung einer langsameren Regelungscharakteristik begegnet. Typischerweise liegt die Kompensationszeit bei mehr als drei Netzperioden .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und einem Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine stabile hochdynamische Regelung der Oberschwingungskompensation ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Regelungseinheit Mittel zum Modellieren der Dynamik des passiven Filters aufweist, und dass die Mittel zum Modellieren der Dynamik des passiven Filters Reglerparameter bereitstellen, wobei der Regler mit Hilfe der Reglerparameter so eingestellt ist, dass Eigenschwingungen des passiven Filters vermieden werden.

Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren löst die Erfindung die Aufgabe dadurch, dass die dynamischen Eigenschaf- ten des passiven Filters modelliert werden und die Reglerparameter auf der Grundlage der berechneten dynamischen Eigenschaften des passiven Filters fortwährend so hergeleitet werden, dass Eigenschwingungen des passiven Filters vermieden sind. Erfindungsgemäß wird zur Kompensation der Oberschwingung die Dynamik des passiven Filters, über das die steuerbare Spannungsquelle oder mit anderen Worten das aktive Filter, mit der Hochspannungsleitung verbunden ist, modelliert. Die Er- findung basiert auf der Überlegung, dass aufgrund transienter Effekte mögliche Eigenschwingungen des passiven Filters berücksichtigt werden müssen. Dies gelingt dadurch, dass das Verhalten des passiven Filters modelliert wird. Die Mittel zum Modellieren der Filterdynamik stellen ausgangsseitig Re- gelparameter bereit, mit denen der bei der Regelung verwendete Regler so eingestellt wird, dass trotz einer gewünschten schnellen Reaktionszeit der Regelung Instabilitäten vermieden sind. Auf diese Art und Weise kann der Regler sicher und gleichzeitig schnell reagieren. Die Kompensationszeit, also die Zeit in der die Regelung eine detektierte Oberschwingung kompensiert, liegt im Rahmen der Erfindung deutlich innerhalb einer Netzperiode, wobei von einer Grundfrequenz der Netzspannung von 50 Hz oder 60 Hz ausgegangen wird. Erfindungsgemäß ist es keineswegs mehr notwendig, wie beim Stand der Technik, den Regler so einzustellen, dass dieser eine langsame Dynamik aufweist, womit das Auftreten von Eigenschwingungen im passiven Filter ebenfalls vermieden wurde.

Im Betrieb ist die erfindungsgemäße Vorrichtung der Last pa- rallel geschaltet.

Zweckmäßigerweise weist die Regelungseinheit Zustandserfas- sungsmittel auf, die einen Istzustand des passiven Filters erfassen. Solche Regelungserfassungsmittel sind beispielswei- se Messsensoren, die beispielsweise Ströme, die in Spulen des passiven Filters auftreten, oder Spannungen, erfassen, die an Kondensatoren oder anderen kapazitiven Bauteilen des passiven Filters abfallen. Die besagten Messwerte werden im Rahmen einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung üblicherweise in einem Zustandsvektor zusammengefasst . Abweichend hiervon berechnen die Zustandserfassungsmittel ausgehend von anderen Messgrößen, welche für die Regelung ohnehin vorliegen, wie beispielsweise Kompensationsstrom und Stellspannung, den Istzustand des passiven Filters.

Vorteilhafterweise verfügt die steuerbare Spannungsquelle über einen Umrichter mit abschaltbaren Leistungshalbleitern. Solche steuerbaren Spannungsquellen werden im Stand der Tech- nik auch als StatCom, SVC Light oder SVC Plus bezeichnet.

Hierbei kommt ein Umrichter zum Einsatz, der beispielsweise aus Stromrichterventilen zusammengesetzt ist, die in einer Brückenschaltung, beispielsweise 6-Puls-Brückenschaltung, miteinander verbunden sind. Jedes Stromrichterventil weist einen Wechselspannungs- sowie einen Gleichspannungsanschluss auf, wobei der Gleichspannungsanschluss mit einem Kondensator oder einer sonstigen Spannungsquelle verbunden ist. Die Stromrichterventile weisen üblicherweise eine Reihenschaltung aus Leistungshalbleitern, wie beispielsweise IGBTs oder GTOs, auf. Der Vorteil dieser Leistungshalbleiter gegenüber Thyristoren besteht darin, dass diese sowohl von einer Sperrstellung, in der ein Stromfluss über den Leistungshalbleiter unterbrochen ist, in eine Durchgangsstellung, in der eine Stromfluss über den Leistungshalbleiter ermöglicht, überführ- bar sind, als auch umgekehrt von der Durchgangsstellung in die Sperrstellung. Mit anderen Worten sind die Leistungshalbleiter sowohl ein- als auch abschaltbar.

Neben einem zentralen Kondensator auf der Gleichspannungssei- te des Umrichters sind auch mehrstufige Umrichter bekannt und beispielsweise in der US 5,642,275 beschrieben. Gemäß dieser Ausgestaltung des Umrichters verfügt jedes Stromrichterventil über eine Reihenschaltung aus bipolaren Submodulen, wobei jedes Submodul vier Leistungshalbleiter und eine Kondensator- einheit aufweist, die in einer Vollbrückenschaltung miteinander verbunden sind. Am Ausgang jedes Submoduls ist somit wahlweise die an der Kondensatoreinheit abfallende Spannung, eine Nullspannung oder aber die inverse Kondensatorspannung je nach Schaltstellung der Leistungshalbleiter erzeugbar. Die mehrstufige Ausgestaltung des Umrichters ermöglicht eine stufenweise Einstellung der am Stromrichterventil insgesamt abfallenden Spannung.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die dynamischen Eigenschaften des passiven Filters ausgehend von einem Istzustand des passiven Filters modelliert. Der Istzustand des Filters kann beispielsweise durch Messungen am aktiven Filter erfasst werden. Wie bereits ausgeführt wurde, können diese Größen des passiven Filters, also der Strom durch eine Spule des passiven Filters oder die an seinem Kondensator abfallende Spannung, auch ausgehend von anderen Messgrößen hergeleitet werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausgestaltung wird der Istzustand des passiven Filters auf der Grundlage von Messungen von Strömen und Stellspannungen bestimmt, die ohnehin für die Regelungseinheit vorliegen. Die Bauteile des passiven Filters sind die üblicherweise für passive FiI- ter verwendeten Bauteile nämlich Kondensatoren und Spulen, die eine geeignete Kapazität beziehungsweise Induktivität aufweisen, so dass durch die Parallel- und/oder Reihenschaltung der besagten Bauteile die gewünschten Filtereigenschaften entstehen. Darüber hinaus kann das passive Filter Ohmsche Widerstände, Ableiter oder dergleichen aufweisen.

Zweckmäßigerweise wird das dynamische Verhalten des passiven Filters zeitdiskret zu konstanten Abtastzeitpunkten k mit Hilfe von Transformationsmatrizen modelliert. Das hierbei zugrunde liegende Modell ist somit ein zeitdiskretes Modell, so dass die üblicherweise zur Berechnung dynamischer Eigenschaften verwendeten Differenzialgleichungen als Differenzengleichungen ausgedrückt werden können. Dies hat den Vor- 5 teil, dass auch numerische Lösungsverfahren zur Modellierung eingesetzt werden können. Diese Berechnung kann vor der Reglerimplementierung durchgeführt werden. Die Kompensationszeit der Regelung liegt im Bereich weniger Millisekunden.

10 Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung wird das dynamische Verhalten des passiven Filters gemäß s i S S n '

2-i+l — Λ *Lk ⁺ -2. ^UKomp,k

beschrieben, wobei x" ein Vektor ist, der den Istzustand des

15 passiven Filters beschreibt, A_^s eine Transformationsmatrix ist, welche die Dynamik der Zustände des passiven Filters beschreibt, B_^s eine Transformationsmatrix ist, die den Ein- fluss der Kompensationsspannung u_Komp auf die Zustände des

passiven Filters beschreibt, und C^{^} eine Transformationsmat- 20 rix ist, welche aus den Zuständen des passiven Filters einen ungestörten Strom f im passiven Filter berechnet.

Ferner wird ein von dem Hochspannungsnetz eingeprägter Strom gemäß

.d ^d d

I_k=C x_k als Störung berücksichtigt, wobei x ein Vektor mit Parametern ist, die den störenden Einfluss des Verbraucherstromes h_ast ^auf d^en Kompensationsstrom i_Komp beschreiben, A eine 30 Transformationsmatrix ist, die das Verhalten der Parameter des störenden Einflusses von i_Last auf den Kompensationsstrom i_Komp beschreibt, und C eine Transformationsmatrix ist, die aus den besagten Parametern des störenden Einflusses den zugehörigen Störstromanteil i^d im Kompensationsstrom i_Komp be-

5 rechnet, wobei sich der Kompensationsstrom i_Komp aus der Summe der des Störstromanteils i^d und des störungsfreien Filterstromes f gemäß i_Komp = i^s + i^d ergibt.

Das dynamische Verhalten des passiven Filters wird bei der 10 Berechnung der Kompensationsspannung u_Komp durch die Lösung folgender Optimierungsaufgabe berücksichtigt:

Np Nu . . min 2_, \i_sou_Mι ^~ i_Kθm_PMi ) ⁺ ^∑ r»ι/,ω ^{~ u}κom_P,ku )

" I=I 1=0 mit :

W₊; = C^sU^Shl +C^d(A^d)χ_k ^d ₊±C^s(A^sl^"B^su_k+n n=0

r_^ ^d i Λ ^d \ r ^soU U_SollMl = C \d j Ω-k

\ ^uκo_mPMn ~. n < Nu r soll,k+n Nu ≤ n ≤ Np

wobei u_SoU eine Stellspannung ist, die im ungestörten Fall 20 den zur Kompensation der Oberschwingungen erforderlichen Kompensationsstrom erzeugt, χ^s° ein Vektor ist, der Parameter zur Beschreibung der zu kompensierenden Oberschwingung um- fasst, und T_ eine Transformationsmatrix ist, die auf x_^s° angewandt die Stellspannung u_SoU für den ungestörten Fall er- 25 gibt, wobei vorausgesetzt wird, dass die zu ermittelnde Kompensationsspannung u_Kompk+n nur für die ersten Nu Abtastschrit- te auf das passive Filter einwirkt und anschließend die störungsfreie Kompensationsspannung u_SoU . Aufgrund dieser Annahme kann die Rechenzeit erheblich verkürzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Optimierungsaufgabe unter Berücksichtigung von Stellgrößenbegrenzungen numerisch gelöst, wobei Reglerparameter K_n bereitgestellt werden, die dem Regler zur Anpassung der Regelung zugeführt werden .

Gemäß einer hiervon abweichenden Ausgestaltung der Erfindung wird die Optimierungsaufgabe analytisch gelöst, wobei die zur ermittelnde Kompensationsspannung u_Komp gemäß, u_Komp, = K_γx_k ^s ₊ K₂x_u ^a ₊ K₃x_k ^soü berechnet wird und wobei K₁ , K₂ und K₃ die Reglerparameter sind, die dem Regler zur Anpassung der Regelungsdynamik zugeführt werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung beschrieben, wobei gleich wirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, und wobei

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch verdeutlicht,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Verfahrens zeigt,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch verdeut- licht,

Figur 4 ein Submodul eines Umrichterventils einer steuerbaren Spannungsquelle darstellt und Figur 5 die Kompensation einer Oberschwingung der Ordnung 15 im Netz- und Laststrom schematisch verdeutlicht .

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Die Vorrichtung 1 umfasst ein passives Filter 2, eine steuerbare Spannungsquelle 3 sowie eine Regelungseinheit 4 zur Ansteuerung der Spannungsquelle 3. Dabei ist die Vorrichtung 1 an ein elektrisches dreiphasiges Versorgungsnetz 5 angeschlossen, das von einem Generator 6 mit Elektroenergie versorgt ist. In Figur 1 ist aus Gründen der Übersicht nur eine Phase verdeutlicht. Die Vorrichtung 1 ist jedoch dreiphasig. Die vom Generator 6 erzeugte Elektroenergie weist eine Wechsel- Spannung u_Netz auf, wobei der im Versorgungsnetz 5 fließende

Strom mit i_Netz bezeichnet ist. An das elektrische Versorgungsnetz 5 ist wenigstens eine nichtlineare Last 7 angeschlossen, die in einem Versorgungsstrom i_Last für Oberschwingungen sorgt, deren Frequenzen ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Grundschwingung sind. Die Vorrichtung 1 dient zur Kompensation dieser Oberschwingungen. Dazu wird die unerwünschte Oberschwingung erfasst und die steuerbare Spannungsquelle 3 anschließend so einstellt, dass diese eine Kompensationsspannung u_Komp erzeugt, die einen Kompensationsstrom i_Komp treibt, der sich mit dem Laststrom i_Last so überlagert, dass die Oberschwingungen unterdrückt werden.

Die steuerbare Spannungsquelle 3 ist in Figur 1 nur schematisch angedeutet. Sie umfasst jedoch bei diesem Ausführungs- beispiel einen mehrstufigen Umrichter, wie er beispielsweise in der US 5,642,275 beschrieben ist. Der mehrstufige Umrichter verfügt für jede Phase des dreiphasigen Versorgungsnetzes 5 über einen Ventilzweig, wobei die Ventilzweige in Sternoder Dreiecksschaltung miteinander verbunden sind. Dabei ist jeder Ventilzweig über das passive Filter 2 an eine Phase des Versorgungsnetzes angeschlossen. Jeder Ventilzweig verfügt seinerseits über eine Reihenschaltung aus bipolaren Submodu- len, wobei jedes Submodul einen Energiespeicher sowie eine Leistungshalbleiterschaltung aufweist. Die Leistungshalbleiterschaltung sowie der Energiespeicher bilden miteinander eine so genannte Vollbrücken- oder H-Schaltung aus, so dass insgesamt vier Leistungshalbleiter je Submodul vorgesehen sind. Mit Hilfe der vier Leistungshalbleiter ist entweder die an dem Energiespeicher abfallende Energiespeicherspannung, eine Nullspannung oder aber die zur Energiespeicherspannung inverse Spannung an den zwei Ausgangsklemmen jedes Submoduls erzeugbar. Durch die Reihenschaltung solcher Submodule ist jeder Umrichterzweig in der Lage, die an ihm abfallende Spannung stufenweise zu verändern, wobei die Höhe der Stufen durch die Spannung bestimmt ist, die an dem jeweiligen Energiespeicher abfällt.

Abweichend hiervon ist es jedoch auch möglich, einen zweistufigen Umrichter oder einen dreistufigen Umrichter im Rahmen der Erfindung einzusetzen. Vorteilhaft ist jedoch, dass die Leistungshalbleiter der steuerbaren Spannungsquelle sowohl von ihrer Sperrstellung in ihre Durchgangsstellung als auch von ihrer Durchgangsstellung in ihre Sperrstellung überführbar sind. Mit anderen Worten sind die eingesetzten Leistungshalbleiter sowohl ein- als auch abschaltbar. Abschaltbare Leistungshalbleiter, wie beispielsweise GTOs, IGBTs oder der- gleichen, sind dem Fachmann auf diesem Gebiet jedoch bestens bekannt, so dass eine ausführliche Darstellung hier entfallen kann . Das Ein- und Abschalten der Leistungshalbleiter der steuerbaren Spannungsquelle 3 erfolgt mittels der Regelungseinheit 4, die dies in Abhängigkeit gemessener Istgrößen und vorgegebener Sollgrößen durchführt. In Figur 1 sind als Eingangsgrößen für die Regelungseinheit 4 die Netzströme i_Netz sowie die Kompensationsströme i_Komp eingezeichnet. Dies ist deswegen ausreichend, da aufgrund der Knotenregel der Laststrom i_Last , der die zu kompensierenden Oberschwingungen enthält, rechnerisch ermittelt werden kann. Eine aufwändigere Messung des Verbrau- cherstroms i_Last kann daher entfallen. Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, stattdessen den Verbraucherstrom und den Netzstrom zu messen. Darüber hinaus wird die Regelungseinheit 4 auch mit der Wechselspannung u_Netz des Versorgungsnetzes 5 und mit der ebenfalls gemessenen Kom- pensationsspannung u_Komp versorgt.

Figur 2 zeigt den schematischen Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im ersten Schritt wird aus den Messwerten des Netzstromes i_Netz und des Kompensationsstromes i_Komp der Verbraucherstrom i_Last berechnet, der die unerwünschte Oberschwingung enthält. Im zweiten Schritt 9 wird von dem so erhaltenen Verbraucherstrom h_ast der Grundschwingungsanteil durch einen Hochpass, eine Bandsperre oder durch ein Keilfilter abgedämpft. In dem, mit dem Bezugszeichen 10 versehenen Verfahrensschritt, werden aus der sinusförmigen Oberschwingung des Verbraucherstromes i_Last zwei Parameter, beispielsweise Amplitude und Phase, ermittelt, die für eine feste Frequenz den Verlauf der Oberschwin- gung bestimmen. In dem mit dem Bezugszeichen 11 versehenen

Verfahrensschritt werden ausgehend von dem Netzstrom i_Netz , dem Kompensationsstrom i_Komp und der Stellspannung u_Komp die Spannungen an Kapazitäten und die Ströme durch Spulen des passiven Filters 2 berechnet. Die so berechneten Spannungen und Ströme definieren den Zustand des passiven Filters 2. In Schritt 11 wird also der Zustand des passiven Filters 2 ermittelt .

Im Verfahrensschritt 12 wird mit Hilfe der Beschreibung des dynamischen Verhaltens des passiven Filters 2 eine Stellspan- nung u_Komp so berechnet, dass die Abweichung zwischen dem gewünschten und dem zu erwartenden Kompensationsstrom i_Komp innerhalb eines kurzen Zeitraums minimal wird. Auf diese Weise wird die problematische Schwingfähigkeit des passiven Filters 2 berücksichtigt.

Im Verfahrensschritt 13 werden aus der Stellspannung u_Komp

Steuerungssignale für die Leistungshalbleiter der steuerbaren Spannungsquelle 3 erzeugt und an diese übermittelt.

Ganz allgemein wird das dynamische Verhalten des Filters zum Abtastschritt k beschrieben mit

X_k+i = Ä^S x_k + B^su_KompJζ ( 1 )

x^* ist der Vektor, der den oben beschriebenen Zustand des passiven Filters 2 ausdrückt. In dem hier im Folgenden betrachteten Fall weist das passive Filter lediglich eine Induktivität L sowie einen Widerstand R auf, die zueinander in Reihe angeordnet sind. Somit umfasst der Vektor χ^s ledig- lieh den durch die Spule des passiven Filters fließenden

Strom. A^s ist eine Transformationsmatrix, die das Verhalten der Zustände des passiven Filters 2 beschreibt und wird bei dem besagten passiven Filter 2 zu

-r A^s = e^LÄ

R" ist eine Transformationsmatrix, die den Einfluss der

Stellspannung u_Komp auf den Zustand des passiven Filters 2 beschreibt. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel gilt

1 -^

R

C" ist eine Transformationsmatrix, die aus den Zuständen des passiven Filters 2 einen ungestörten Strom i^s im passiven Filter berechnet. Für das gewählte Ausführungsbeispiel gilt: σ =i

Das passive Filter 2 weist eine in der Praxis endliche Impedanz auf. Der Kompensationsstrom wird daher nicht allein durch die beeinflussbare, steuerbare Spannungsquelle bestimmt. Vielmehr muss der Einfluss des Verbraucherstromes im Verbrauchernetz 5 berücksichtigt werden. Dieser wird hier als Störung aufgefasst, wobei die Störung ganz allgemein dargestellt wird als

.d __cd d ιk — -=: ±k

Das Verhalten der zwei Parameter des störenden Einflusses vom Verbraucherstrom i_Last auf den Kompensationsstrom i_Komp wird beschrieben, zu

wobei ω die Kreisfrequenz der Oberschwingung und T_A die Abtastzeit darstellt. C ist eine Transformationsmatrix, die aus den zwei Parametern des Störeinflusses den zugehörigen Anteil i^d im Kompensationsstrom i_Komp berechnet. Für das Aus- führungsbeispiel gilt: c^d =[ι o]

Es wird angenommen, dass die Ursache für die Störung unbekannt ist, dass diese jedoch die gleiche Frequenz hat, wie die zu kompensierende Oberschwingung. Somit kann das Verhalten als Oszillator oder ungedämpftes Verzögerungsglied zweiter Ordnung dargestellt werden.

Der resultierende Kompensationsstrom ergibt sich aus der Überlagerung beider Größen. Es gilt:

^{i d}

Für n_p zukünftige Abtastschritte ist der Regelfehler nun zu optimieren. Es ergibt sich folgende Optimierungsaufgabe:

Np Nu min J] (hoiiMi ^{~ 1}KOn₉Mi f + ^ÄΣ Ψ∞UMI ^{" u}κ_omPMi f

" 1=1 1=0 mit :

W₊; = C^s {A^s )x_k + C^d (A^d )χ_k ^d + ∑C' {4^> yB^>u_k+n

B=O

wobei u_Soll eine Stellspannung ist , die im ungestörten Fall den zur Kompensation der Oberschwingungen erforderlichen Korn- pensationsstrom erzeugt, χ^s° ein Vektor ist, der Parameter zur Beschreibung der zu kompensierenden Oberschwingung um- fasst, und T_ eine Transformationsmatrix ist, die auf χ^s° angewandt die Stellspannung u_Soll für den ungestörten Fall er- gibt, wobei vorausgesetzt wird, dass die zu ermittelnde Kompensationsspannung u_Kompk+n nur für die ersten Nu Abtastschritte auf das passive Filter einwirkt und unschließend die störungsfreie Kompensationsspannung u_SoU .

Die Transformationsmatrix berechnet sich aus dem Betrag A und der Phase des Frequenzganges

des passiven Filters 2 für die Kreisfrequenz ω . Unter der Annahme, dass

B

,J«>T_Λ -A

A = G(e^jωT*]

und

sind, ergibt sich für T :

Nun müssen noch Werte für n_u , n_p und λ nach Intuition festgelegt werden. Es hat sich gezeigt, dass «„=10 und /L=O, 001 und n gleich die Anzahl an Abtastschritten pro Oberschwin- gungsperiode eine gute Wahl darstellt. Mit diesen Angaben kann das Optimierungsproblem aufgestellt und nach der unbekannten Stellgröße u_Komp gelöst werden. Hieraus ergeben sich die Matrizen kl, k2 und k3, die als Regelparameter dem Regler zur Einstellung der Regelung zugeführt werden.

Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Optimie- rungsaufgabe numerisch gelöst. Abweichend hiervon besteht im Rahmen der Erfindung jedoch auch die Möglichkeit der analytischen Lösung der Optimierungsaufgabe, wobei die Regelparameter Kl, K2, K3 gemäß

u_κ→ = K₁Xl ₊ K₂x_k ^d ₊ K₃x_k ^s011

dargestellt werden können.

Figur 3 zeigt einen Testaufbau zur Anwendung eines Ausfüh- rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als steuerbare Spannungsquelle 4 dient ein mehrstufiger Umrichter mit einer Reihenschaltung von zehn Submodulen, auf deren Aufbau im Zusammenhang mit Figur 4 noch genauer eingegangen werden wird.

Die Vorrichtung 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zweiphasig ausgeführt. Die steuerbare Spannungsquelle 4 ist über das passive Filter 2, das als Saugkreis mit einem Kondensator C_Sk, einem ohmschen Widerstand R_Sk und einer Spule L_sk ausgestaltet ist, mit einer Sammelschiene 14 verbunden. Die Sammelschiene 14 wird ausgehend von dem Versorgungsnetz 6 über einen Transformator Tr mit der Spannung u_Q versorgt. Dabei wurde eine Leiter-Leiter Versorgungsspannung mit einem Effektivwert von U_Q=220 V mit einer Frequenz von 50 Hz ge- wählt, die den Netzstrom I_Netz treibt. An der Sammelschiene 14 ist die Last 7 angeschlossen, die einen Oberschwingungsstrom in das Netz einprägt. Der Innenwiderstand des Versorgungsnetzes 5 wurde zu R_Q=4,83 Ω und L_Q=13,5 mH ermittelt. An den Bauteilen des passiven Filters 2 wurden die Kapazität C_Sκ=43,841 μF, der ohmsche Widerstand R_sκ=0,854 Ω und die Induktivität L_Sκ=4,883 mH gemessen.

Figur 4 zeigt ein Submodul, das mit neun weiteren identisch aufgebauten Submodulen in Reihe geschaltet ist und auf diese Weise eines der Umrichterventile der steuerbaren Spannungsquelle 3 bildet. Es ist erkennbar, dass jedes Submodul als Zweipol ausgebildet ist und einen Kondensator C_Dc als Ener- giespeicher sowie eine Leistungshalbleiterschaltung 15 aufweist. Die Leistungshalbleiterschaltung 15 und der Energiespeicher C_DC bilden eine so genannte H-Brücke aus. Als Halbleiter der Leistungshalbleiterschaltung wurden vier MOSFETs T₁, T₂, T₃ und T₄ ausgewählt. Kondensator C_DC besitzt eine Ge- samtkapazität von C_DC=2,4 mF. Die Spannung über jeden Kondensator C_DC wird jeweils auf u_DC=20 V gehalten. Dies wird für jeden Kondensator durch einen Proportionalregler erreicht. Der Regler bildet die Differenz aus Sollwert und Istwert und multipliziert dies mit einer positiven Konstante. Anschlie- ßend wird die Ausgabe des Reglers mit einer Sinusschwingung, die in Frequenz und Phase dem Grundschwingungsstrom gleicht, multipliziert und als zusätzlicher Stellspannungsanteil vom Umrichter ausgegeben.

Die Halbleiterschalter T₁, T₂, T₃ und T₄ jeder H-Brücke werden durch eine trägerbasierte Pulsweitenmodulation angesteuert. Jedes dieser Trägersignale ist sägezahnförmig, mit einer Frequenz von 10 kHz und weist einen Phasenversatz von 36° zu seinen benachbarten Brücken auf.

Die Stromwerte der Last und des Umrichters werden mit einer Abtastrate von 10 kHz messtechnisch erfasst. Anschließend wird der Grundschwingungsanteil in den Messwerten mit folgendem zeitdiskreten Filter stark bedämpft: 0 0.00626 0 - 1 Λj 0.00626 λ < {} 1 ΛW?53 i {) λ < i ,9s>2753 n -f-

(1 0 ϊ\ ^■0,9^373 xκ i , f 0 0.00626 0 0 j^xK 0.00626

^"HS f. ~ ~ - Ii K

Die nun gefilterten Messwerte werden an die Regelungseinheit 4 übergeben. Aus den Zuständen des passiven Filters 2 und der Oberschwingung wird die Stellgröße durch Multiplikation mit den Matrizen Ki, K₂ und K₃ berechnet und ausgegeben.

Figur 5 verdeutlicht die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand gemessener Ströme. Hierbei wurde mit einem Leistungsverstärker als Last zum Zeitpunkt t=0 s eine Stromoberschwingung der Ordnung 15 mit einer Amplitude von 150 mA in das in Figur 4 gezeigte System eingeprägt. Im oberen Teil der Figur 5 ist der Verlauf des Netzstromes I_Netz dargestellt. Der Oberschwingungsstrom ist jedoch kaum zu erkennen. Deshalb wurde in dem unteren Teil der Figur 5 die Amplitude AMP dieses Oberschwingungsstromes sowohl aus dem Last- als auch dem Netzstrom als AMP_Last beziehungsweise AMP_Netz dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass es nur eine Netzperiode, bei einer Grundschwingung der Netzspannung von 50 Hz also 20 ms dauert, bis die Oberschwingung ausreichend bedämpft wird.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Kompensation von in Stromverläufen auftretenden Oberschwingungen in einem Hochspannungsnetz (5) mit einem passiven Filter (2) und einer steuerbaren Spannungsquelle (3), die über das passive Filter (2) mit dem Hochspannungsnetz (5) in Parallelschaltung verbindbar ist, und mit einer Regelungseinheit (4), die in Abhängigkeit der erfassten Oberschwingungen einen Sollstrom i_SoU ermittelt, welcher der negativen zu kompensierenden Oberschwingung entspricht, wobei der Sollstrom i_SoU mit einem von der steuerbaren Spannungsquelle (3) erzeugten Kompensationsstrom i_Komp unter Gewinnung einer Regeldifferenz verglichen wird und die Regeldifferenz einem über Reglerparameter (Kl, K2, K3) in seinem dynamischen Verhalten einstellbaren Regler zugeführt wird, der an seinem Ausgang eine Stellspannung u_Komp für die steuerbare Spannungsquelle (3) bereitstellt, so dass diese einen Kompensationsstrom i_Komp treibt, der dem Sollstrom i_SoU möglichst entspricht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Regelungseinheit (4) Mittel zum Modellieren der Dynamik des passiven Filters (2) aufweist, und dass die Mittel zum Modellieren der Dynamik des passiven Filters (2) Reglerparameter (Kl, K2, K3) bereitstellen, wobei der Regler mit Hilfe der Reglerparameter (Kl, K2, K3) so eingestellt ist, dass Eigenschwingungen des passiven Filters (2) vermieden sind.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Regelungseinheit (4) Zustandserfassungsmittel aufweist, die einen Istzustand des passiven Filters (2) ermitteln.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die steuerbare Spannungsquelle (4) über einen Umrichter mit abschaltbaren Leistungshalbleitern verfügt.

4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Umrichter ein selbstgeführter mehrstufiger Umrichter ist.

5. Verfahren zur Kompensation von in Stromverläufen auftretenden Oberschwingungen in einem Hochspannungsnetz (5) mittels einer steuerbaren Spannungsquelle (3) , die über ein passives Filter (2) in Parallelschaltung mit dem Hochspannungsnetz (5) verbunden ist, bei dem ein die unerwünschten Ober- Schwingungen aufweisender Verbraucherstrom i_Last erfasst, in

Abhängigkeit des Verbraucherstroms i_Last ein die Oberschwingungen kompensierender Sollstrom i_SoU ermittelt, der Sollstrom i_SoU mit einem von der steuerbaren Spannungsquelle (3) erzeugten Kompensationsstrom i_Komp unter Gewinnung einer Regeldiffe- renz verglichen und die Regeldifferenz einem über Reglerparameter (Kl, K2 , K3) in seinem dynamischen Verhalten einstellbaren Regler zugeführt wird, der an seinem Ausgang eine Stellspannung u_Komp für die steuerbare Spannungsquelle (3) bereitstellt, so dass diese einen Kompensationsstrom i_Komp treibt, der dem Sollstrom i_SoU möglichst entspricht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dynamischen Eigenschaften des passiven Filters (2) modelliert werden und die Reglerparameter (Kl, K2, K3) auf der Grundlage der berechneten dynamischen Eigenschaften des pas- siven Filters fortwährend so hergeleitet werden, dass Eigenschwingungen des passiven Filters (2) vermieden sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dynamischen Eigenschaften des passiven Filters (2) ausgehend von einem Istzustand des passiven Filter (2) modelliert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Istzustand des passiven Filters (2) mit Hilfe von ermit- telten Strömen und Induktivitäten des passiven Filters und/oder Spannungen festgelegt, die an Kapazitäten des passiven Filters (2) abfallen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das dynamische Verhalten des passiven Filters zeitdiskret zu konstanten Abtastzeitpunkten k mit Hilfe von Transformationsmatrizen modelliert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das dynamische Verhalten des passiven Filters (2) gemäß

2-i+l ⁼ A Αk + M- ^UKomp,k

I_k=Q. x_k beschrieben wird, wobei χ^s ein Vektor ist, der den Istzustand des passiven Filters (2) beschreibt, A^s eine Transformationsmatrix ist, welche die Dynamik der Zustände des passiven Filters (2) beschreibt, R^* eine Transformationsmatrix ist, die den Einfluss der Kompensationsspannung u_Komp auf den Zu-

stand des passiven Filters (2) beschreibt, und Q^s eine

Transformationsmatrix ist, welche aus dem Zustand des pas- siven Filters einen ungestörten Strom i^s im passiven Filter berechnet .

10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein von dem Hochspannungsnetz (5) eingeprägter Strom gemäß d ,d d x_k+ι = A x_k ._d _ _cd d

als Störung berücksichtigt wird, wobei x ein Vektor mit Pa- rametern ist, die den störenden Einfluss des Verbraucherstromes i_Last auf den Kompensationsstrom i_Komp beschreiben, A eine Transformationsmatrix ist, die das Verhalten der Parameter des störenden Einflusses von i_Last auf den Kompensationsstrom i_Komp beschreibt, und C eine Transformationsmatrix ist, die aus den besagten Parametern des störenden Einflusses den zugehörigen Störstromanteil i^d im Kompensationsstrom i_Komp berechnet, wobei sich der Kompensationsstrom i_Komp aus der Summe der des Störstromanteils i^d und des störungsfreien Filterstromes f gemäß i_Komp = i^s + i^d ergibt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das dynamische Verhalten des passiven Filters (2) durch die

Lösung folgender Optimierungsaufgabe berücksichtigt wird:

Np Nu min ∑ (i_sollk+ι - i_KompMl f + λ∑ψ^^ - u_Kompk+ι f

¹¹ ι=ι ι=o mit :

ι_KomPMi =-2 (A )x_k+C \A )x_k+χc (A ) B u_k+n κ=0

¹SOUMl

^Usoll,k+\ ^ C^d(d^d)Tx soll k

^UKomp,k+n n < Nu

U_k+n = für lsoll,k+n Nu≤n≤ Np

wobei u_SoU eine Stellspannung ist, die im ungestörten Fall den zur Kompensation der Oberschwingungen erforderlichen Kompensationsstrom erzeugt, χ^s° ein Vektor ist, der Parameter zur Beschreibung der zu kompensierenden Oberschwingung um- fasst, und T_ eine Transformationsmatrix ist, die auf χ^s° angewandt die Stellspannung u_Soll für den ungestörten Fall er- gibt, wobei vorausgesetzt wird, dass die zu ermittelnde Kompensationsspannung u_Kompk+n nur für die ersten Nu Abtastschritte auf das passive Filter einwirkt und anschließend die störungsfreie Kompensationsspannung u_SoU .

12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Optimierungsaufgabe unter der Berücksichtigung von Stellgrößenbegrenzungen numerisch gelöst wird, wobei Reglerparameter K_n bereitgestellt werden, die dem Regler zur Anpassung der Regelung zugeführt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Optimierungsaufgabe analytisch gelöst wird, wobei sich die zur ermittelnde Kompensationsspannung u_Komp gemäß, u_Komp,k = Kμl + K₁Xl + K₃x_k ^soU berechnet wird, wobei K₁ , K₂ und K₃ Reglerparameter sind, die dem Regler zur Anpassung der Regelung zugeführt werden.