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Dreiphasen-Wechselrichter mit schlankem Spannungszwischenkreis zum Einsatz in unsymmetrisch belasteten Niederspannungsnetzen

Holbein, Markus (2020):
Dreiphasen-Wechselrichter mit schlankem Spannungszwischenkreis zum Einsatz in unsymmetrisch belasteten Niederspannungsnetzen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014265,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Dreiphasen-Wechselrichter mit schlankem Spannungszwischenkreis zum Einsatz in unsymmetrisch belasteten Niederspannungsnetzen
Language: German
Abstract:

Beim Anschluss von Ein- oder Zweiphasenlasten an das Dreiphasen-Wechselspannungsnetz kann es zu Spannungsunsymmetrien kommen, die den einwandfreien Betrieb bestimmter Geräte beeinflussen und die Übertragungsverluste vergrößern. Die Schieflastproblematik ist insbesondere in Niederspannungsnetzen mit geringer Kurzschlussleistung von Bedeutung, welche oftmals mit kleinen Vermaschungsgraden oder langen Netzausläufern in Verbin-dung steht. Aktuell führt das FNN eine entsprechende „Unsymmetrie-Studie“ durch [1], was vor dem Hintergrund einer sich ändernden Erzeuger- und Verbraucherstruktur auf die zu-nehmende Relevanz des Themenfeldes hindeutet. Wird das nach DIN EN 50160 auf 2 % festgelegte Verhältnis zwischen der Spannungs-Gegen- und Mitsystemkomponente überschritten, stehen einerseits klassische Maßnahmen in Form von Netzausbau und passiven Symmetrierschaltungen zur Verfügung. Anderseits sind auch aktive, leistungselektronische Lösungen denkbar, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit theoretisch untersucht und auf Basis eines eigens entwickelten Dreiphasen-Vierleiter-Wechselrichters praktisch erprobt werden. Eine vollständige, d.h. stationär genaue Auslöschung der netzfrequenten Spannungs-Gegen- und ggf. der Nullsystemkomponente erfolgt am Netzanschlusspunkt des Wechselrichters ohne direkte Kenntnis der Lastströme basierend auf einer einfachen Spannungsmessung. Nach entsprechender Signalaufbereitung und unter Verwendung der vom Wechselrichter ermittelten Netzadmittanz, lassen sich die notwendigen, vom Wechselrichter aufzubringenden Kompensationsströme generieren. Durch Verkopplung der symmetrischen Strom- und Spannungsgrößen treten Pendelleistun-gen mit doppelter Netzgrundfrequenz auf, die auf den Spannungszwischenkreis des Wechselrichters einwirken. Statt hier zur Einhaltung eines kleinen Spannungsripples auf die Wirkung passiver Zwischenkreisvarianten zu setzen, kommt ein dediziertes aktives Filter zum Einsatz. Es ermöglicht unter Ausnutzung eines vergrößerten, vom Zwischenkreisniveau entkoppelten Spannungshubs den energetischen Nutzungsgrad der Speicherkapazität zu verbessern und so Elektrolyt- durch Folienkondensatoren zu substituieren. Mit der Maß-nahme lässt sich neben der zu erwartenden höheren Zuverlässigkeit das zugehörige Bauvo-lumen auf 53 % reduzieren. Eine optimierte Regelstrategie mit hoher Dynamik begrenzt transiente Abweichungen der Zwischenkreisspannung bei Aufschaltung der DC-Bemessungslast auf max. 7 % bzgl. des Nominalwertes. Somit ist unter Berücksichtigung der Stromgrenzen weiterhin ein Betrieb als aktiver Gleichrichter zur Speisung von Nieder-spannungs-Gleichstromnetzen oder –lasten möglich.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

When one-phase or two-phase loads are connected to the three-phase AC network, voltage asymmetries can occur which affect the correct operation of certain devices and increase transmission losses. The unbalanced load problem is particularly important in low-voltage networks with low short-circuit power, which is often associated with small meshing levels or long network extensions. The FNN is currently carrying out a corresponding "asymmetry study" [1], which indicates the increasing relevance of the subject area against the back-ground of a changing producer and consumer structure. If the ratio between the voltage negative- and positive-sequence-component, which is set at 2 % in accordance with DIN EN 50160, is exceeded, classic measures in the form of network expansion and passive balancing circuits are available. On the other hand, active, power electronic solutions are also conceivable, which are theoretically examined within the scope of the present work and are tested in practice on the basis of a specially developed three-phase, four-wire inverter. A complete, i.e. precise stationary extinction of the grid-frequency voltage negative- and possibly the zero-sequence-component takes place at the grid connection point of the inverter without direct knowledge of the load currents. Instead, the compensation is based on a simple voltage measurement. After appropriate signal processing and using the network admittance determined by the inverter, the necessary compensation currents to be applied by the inverter can be determined. Due to cross-couplings between the symmetrical-component current and voltage values, pendulum power with double grid frequency occurs which affects the DC-link circuit of the inverter. Instead of relying on passive DC-link variants to maintain a small voltage ripple, a dedicated active filter is used. Using an enlarged voltage swing decoupled from the DC-link level, it enables the energy efficiency of the storage capacity to be improved and thus electrolyte capacitors to be replaced by foil capacitors. In addition to the expected higher reliability, the measure reduces the associated construction volume to 53 %. An optimized control strategy with high dynamics limits transient deviations in the DC link voltage (when the DC rated load is applied) to max. 7 % of the nominal value. Thus, taking into account the cur-rent limits, operation as an active rectifier for feeding low-voltage DC networks or loads is still possible.

English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Power Electronics and Control of Drives
Date Deposited: 16 Dec 2020 14:49
Last Modified: 16 Dec 2020 19:32
DOI: 10.25534/tuprints-00014265
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142656
Referees: Griepentrog, Prof. Dr. Gerd ; Konigorski, Prof. Dr. Ulrich
Refereed: 8 October 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14265
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