DE102012222948A1 - Method for stabilizing AC mains in low-power island net i.e. ship net, at e.g. mining industry, involves determining target idling frequency and target idling main voltage from actual active power - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren eines Wechselstromnetzes sowie eine entsprechende Schaltungsanordnung. The present invention relates to a method for stabilizing an AC network and a corresponding circuit arrangement.
In leistungsschwachen Inselnetzen und eventuell auch in einem so genannten „SmartGrid-Verbundnetz“ steht teilweise keine ausreichende Wirk- und Blind-Erzeugerleistung für den dynamisch stabilen Betrieb großer wechselrichtergespeister Verbraucher zur Verfügung. Dadurch können im Netz Spannungsoberschwingungen oder auch Netzzusammenbrüche auftreten, die die Versorgungssicherheit beeinträchtigen oder zu Beschädigungen führen. In low-performance isolated networks and possibly also in a so-called "SmartGrid interconnected network", there is sometimes insufficient effective and reactive generator power available for the dynamically stable operation of large, inverter-fed consumers. As a result, voltage harmonics or network breakdowns can occur in the network, which impair the security of supply or lead to damage.
Die Entwicklung im Bereich elektrischer Netzwerke ist durch mehrere Trends gekennzeichnet:
- – Auf der einen Seite sinkt die Zahl der leistungsfähigen Kraftwerke mit der Fähigkeit zur Regelung von Netzfrequenz und Netzspannung. Die Menge der rotierenden Schwungmassen (Generatoren, Turbinen), die durch ihre Trägheit kurzzeitige Schwankungen der benötigten Verbraucherleistung puffern kann, wird kleiner. Stattdessen nimmt die Zahl der erneuerbaren Energiequellen zu, die über Stromrichter – in erster Näherung unabhängig von Betriebspunktschwankungen im Netz – ihre Energie einspeisen und sich somit nicht an der primären Frequenzregelung und nicht (oder nur teilweise) an der Spannungsregelung im Netz beteiligen.
- – Auf der anderen Seite steigt bei den elektrischen Verbrauchern die Zahl der Konstant-Leistungssenken, also Verbrauchern, die mithilfe von leistungselektronischen Schaltungen die momentan benötigte Leistung dem Netz entnehmen – in erster Näherung unabhängig von Frequenz- und Spannungsschwankungen des Netzes. Beispielsweise ist es aus Energieeffizienzgründen häufig sinnvoll, bislang direkt am Netz angeschlossene elektrische Antriebe (typisch Pumpen, Lüfter) mit geregelten Wechselrichtern im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Teilweise wird dies bereits auch vom Gesetzgeber gefordert. Durch die leistungselektronische Schaltung wird der Leistungsbedarf des Antriebs allerdings von der Netzfrequenz entkoppelt, abhängig von der Ausprägung des Wechselrichters gilt dies auch für die Netzspannung. Dies kann z. B. für eine optimale Prozessführung zwingend notwendig sein. In vielen Anwendungsfällen wäre diese Entkopplung jedoch nicht erforderlich.
- - On the one hand, the number of powerful power plants with the ability to control grid frequency and grid voltage is decreasing. The amount of rotating flywheels (generators, turbines), which can buffer by their inertia short-term fluctuations in the required consumer power, is smaller. Instead, there is an increase in the number of renewable energy sources that use power converters - in a first approximation, independent of operating point fluctuations in the grid - to feed their energy and thus not participate in the primary frequency control and not (or only partially) in the voltage regulation in the grid.
- - On the other hand, the number of constant-power sinks, ie consumers, which use power-electronic circuits to extract the power currently required from the grid - in the first approximation, is independent of frequency and voltage fluctuations in the network. For reasons of energy efficiency, for example, it is often sensible to operate electrical drives (typically pumps, fans) with regulated inverters that were previously connected directly to the grid at the optimum operating point. In part, this is already required by the legislature. However, due to the power electronic circuit, the power requirement of the drive is decoupled from the mains frequency; depending on the characteristics of the inverter, this also applies to the mains voltage. This can be z. B. mandatory for optimal process control. In many applications, however, this decoupling would not be required.
Damit lassen sich zwei gegenläufige Entwicklungen ableiten, die jeweils die Netzstabilität beeinträchtigen: Im Vergleich zur benötigten Verbraucherleistung sinkt die verfügbare Regelleistung für kurzfristige Leistungsschwankungen. Gleichzeitig nimmt die Zahl der Verbraucher zu, die dem Netz unabhängig von Frequenz- und Spannungsschwankungen Leistung entnehmen. Mit dem Umbau der elektrischen Energieerzeugung ist somit in Zukunft eine Beeinträchtigung der Netzstabilität für das künftige Verbundnetz zu erwarten. Für die zunehmende Zahl von Inselnetzen stellt die reduzierte Stabilität bereits heute ein Problem dar. Beispielsweise sollen große elektrische Antriebe in Schiffsnetzen auch bei minimaler Generatorleistung stabil im Teillastbetrieb arbeiten, da durch die Abschaltung von Generatoren Treibstoff eingespart werden kann. This can be used to derive two opposing developments, each of which affects grid stability: In comparison to the required consumer power, the available control power for short-term power fluctuations decreases. At the same time, the number of consumers is gaining power from the grid regardless of frequency and voltage fluctuations. As a result of the conversion of electrical energy generation, it is expected that the grid stability for the future interconnected grid will be impaired in the future. Reduced stability is already a problem for the increasing number of island networks. For example, large electric drives in ship nets should work stably under partial load operation even with minimal generator power since fuel can be saved by switching off generators.
Instabilität von elektrischen Netzen ist u. a. gekennzeichnet durch das Auftreten signifikanter Oberschwingungen in der Netzspannung, die zur Beschädigung von Anlagenteilen führen können, sowie durch das Verletzen der zulässigen Toleranzgrenzen für Netzfrequenz und Spannungsamplitude, das zum Netzzusammenbruch bzw. zur Netzabschaltung führt. Die Verfügbarkeit einer ausreichenden Regelleistung im Netz ist damit für die Versorgungssicherheit von ausschlaggebender Bedeutung. Instability of electrical networks is u. a. characterized by the occurrence of significant harmonics in the mains voltage, which can lead to the damage of system parts, as well as by violating the permissible voltage frequency and voltage amplitude tolerance limits, which leads to power failure or to power off. The availability of sufficient control power in the grid is therefore crucial for the security of supply.
Insbesondere in Inselnetzen steht stark schwankende Erzeugerleistung zur Verfügung. Mit dem Zu- und Wegschalten von Erzeuger- und Verbraucherlasten kann sich die Netzimpedanz erheblich ändern. Insbesondere aktive Netzeinspeisungen umfassen häufig passive Filterschaltungen (z. B. L-C-L-Filter), um die schaltfrequenten Anteile der Wechselrichter-Ausgangsspannungen auf normgerechte Maße zu reduzieren. Die Resonanzüberhöhung der Filterübertragungsfunktion nimmt in der Regel mit der Netzimpedanz zu, zudem kann sich die Resonanzfrequenz erheblich verschieben. Dies kann zu Instabilitäten im Stromregelkreis des Wechselrichters führen, da die Reglerauslegung für Nenn-Betriebsbedingungen erfolgt. Als Abhilfe denkbar sind z.B. aufwendige Parameteradaptionen oder eine Verbesserung der Reglerperformance (z.B. kleinere Abtastzeit, kleinere Totzeiten etc.). Dadurch sind zusätzliche Kosten für erhöhten Entwicklungs- und Inbetriebnahmeaufwand zu erwarten, zudem zusätzliche Kosten für erhöhten Hardware-Aufwand (z.B. für Rechenleistung). Particularly in isolated networks, strongly varying output is available. Switching generator and consumer loads on and off can significantly change the network impedance. In particular, active grid feeds often comprise passive filter circuits (eg L-C-L filters) in order to reduce the switching-frequency components of the inverter output voltages to standard-compliant dimensions. The resonance overshoot of the filter transfer function usually increases with the network impedance, in addition, the resonance frequency can shift significantly. This can lead to instabilities in the current loop of the inverter because the controller design is for nominal operating conditions. As a remedy are conceivable, for example elaborate parameter adaptations or an improvement in controller performance (e.g., smaller sample time, smaller dead times, etc.). As a result, additional costs for increased development and commissioning costs are expected, as well as additional costs for increased hardware expenditure (for example for computing power).
Bisher wurde zum Gewährleisten eines stabilen Netzbetriebs beispielsweise eine ausreichend große Regelleistung für die Primärregelung von Wirk- und Blindleistung im Netz vorgehalten. Alternativ erfolgte eine dynamische Stützung des Netzes ausschließlich mit Blindstrom abhängig von der Netzspannungsabweichung, oder es erfolgte ein Abschalten und Zuschalten von Erzeugern und Lasten in einer Sekundärregelung als zusätzliche Maßnahme. Ebenso können zusätzliche aktive Filter zur Dämpfung von Resonanzeffekten verwendet werden. Ferner zeichneten sich netzfreundliche Antriebe bislang dadurch aus, dass sie dem Netz netzfrequente sinusförmige Ströme entnehmen und einen Wirkfaktor cosφ = 1 realisieren (d.h. Ströme und Spannungen sind in Phase). Dies dient der Effizienz aber nur geringfügig der Stabilität. So far, to ensure a stable network operation, for example, a sufficiently large control power for the primary control of active and reactive power has been kept in the network. Alternatively, a dynamic support of the network was made exclusively with reactive power depending on the mains voltage deviation, or there was a shutdown and connection of generators and loads in a secondary control as an additional measure. Likewise, additional active filters can be used to dampen resonance effects. Furthermore, grid-friendly drives so far characterized by the fact that they take the network power sinusoidal currents and an effective factor cosφ = 1 (ie currents and voltages are in phase). This serves the efficiency but only slightly the stability.
Aus der Druckschrift
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Wechselstromnetz mit einem oder mehreren Verbrauchern besser stabilisieren zu können. The object of the present invention is to be able to better stabilize an AC network with one or more consumers.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Stabilisieren eines Wechselstromnetzes durch
- – aktives Wechselrichten eines Wechselstroms des Wechselstromnetzes in einen Gleichstrom eines Zwischenkreises durch einen Netzwechselrichter,
- – Erfassen einer Ist-Wirkleistung und einer Ist-Blindleistung eines Leistungsaustausches zwischen dem Netzwechselrichter und dem Wechselstromnetz,
- – Gewinnen eines Schaltbefehls für den Netzwechselrichter in Abhängigkeit von der Ist-Wirkleistung und einer Soll-Leerlaufnetzfrequenz sowie in Abhängigkeit von der Ist-Blindleistung und einer Soll-Leerlaufnetzspannung,
- – Steuern oder Regeln des Netzwechselrichters anhand des Schaltbefehls,
- – Ermitteln der Soll-Leerlaufnetzfrequenz und der Soll-Leerlaufnetzspannung aus der Ist-Wirkleistung, einer vorgegebenen verfügbaren Netzleistung des Wechselstromnetzes, einer Ist-Verbraucherleistung eines an den Zwischenkreis angeschlossenen Stellglieds und einer vorgegebenen Soll-Verbraucherleistung für das Stellglied, und
- – Regeln einer Gleichspannung des Zwischenkreises mittels Energiepufferung in dem Stellglied.
- Active switching of an alternating current of the alternating current network into a direct current of an intermediate circuit by a network inverter,
- Detecting an actual active power and an actual reactive power of a power exchange between the grid inverter and the AC grid,
- Obtaining a switching command for the network inverter as a function of the actual active power and a nominal idling network frequency and as a function of the actual reactive power and a nominal open circuit voltage,
- - controlling or regulating the network inverter by means of the switching command,
- Determining the nominal idling network frequency and the nominal neutral mains voltage from the actual active power, a predetermined available network power of the AC mains, an actual consumer power of an actuator connected to the intermediate circuit and a predetermined desired consumer power for the actuator, and
- - Controlling a DC voltage of the DC link by means of energy buffering in the actuator.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Schaltungsanordnung zum Stabilisieren eines Wechselstromnetzes umfassend
- – einen Netzwechselrichter zum Umrichten eines Wechselstroms des Wechselstromnetzes in einen aktiven Wechselrichten eines Zwischenkreises,
- – ein an den Zwischenkreis angeschlossenes Stellglied mit Energiepuffer,
- – eine Leistungsmesseinrichtung zum Erfassen einer Ist-Wirkleistung und einer Ist-Blindleistung eines Leistungsaustausches zwischen dem Netzwechselrichter und dem Wechselstromnetz,
- – eine Ansteuereinrichtung zum Gewinnen eines Schaltbefehls für den Netzwechselrichter in Abhängigkeit von der Ist-Wirkleistung und einer Soll-Leerlaufnetzfrequenz sowie in Abhängigkeit von der Ist-Blindleistung und einer Soll-Leerlaufnetzspannung, und zum Steuern oder Regeln des Netzwechselrichters anhand des Schaltbefehls,
- – eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Soll-Leerlaufnetzfrequenz und der Soll-Leerlaufnetzspannung aus der Ist-Wirkleistung, einer vorgegebenen verfügbaren Netzleistung des Wechselstromnetzes, einer Ist-Verbraucherleistung des Stellglieds und einer vorgegebenen Soll-Verbraucherleistung für das Stellglied,
- – einer Regelungseinrichtung zum Regeln einer Gleichspannung des Zwischenkreises mittels des Energiepuffers des Stellglieds.
- A network inverter for converting an alternating current of the alternating current network into an active inversion of an intermediate circuit,
- An actuator with an energy buffer connected to the DC link,
- A power measuring device for detecting an actual active power and an actual reactive power of a power exchange between the mains inverter and the AC mains,
- A control device for obtaining a switching command for the network inverter as a function of the actual active power and a nominal idling network frequency and as a function of the actual reactive power and a nominal open circuit voltage, and for controlling or regulating the network inverter on the basis of the switching command,
- A determination device for determining the nominal idle network frequency and the nominal neutral network voltage from the actual active power, a predetermined available network power of the AC network, an actual consumer power of the actuator and a predetermined desired consumer power for the actuator,
- - A control device for controlling a DC voltage of the intermediate circuit by means of the energy buffer of the actuator.
In vorteilhafter Weise wird also Energie in einem Stellglied gepuffert, und die Energie wird dazu verwendet, um die Frequenz bzw. Spannung eines Netzwechselrichters einzustellen und damit das Wechselstromnetz hinsichtlich Frequenz und Spannung zu stabilisieren. Advantageously, therefore, energy is buffered in an actuator, and the energy is used to adjust the frequency or voltage of a network inverter and thus to stabilize the AC network in terms of frequency and voltage.
In einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der Soll-Netzfrequenz anhand einer vorgegebenen ersten Tabelle aus der Ist-Wirkleistung und der Soll-Leerlaufnetzfrequenz und einer anschließenden zeitlichen Glättung. Analog hierzu kann das Ermitteln der Soll-Netzspannung anhand einer vorgegebenen zweiten Tabelle aus der Ist-Blindleistung und der Soll-Leerlaufnetzspannung und einer anschließenden zeitlichen Glättung erfolgen. Durch die jeweiligen Tabellen können die Sollwerte sehr einfach ermittelt werden. Die zeitliche Glättung sorgt darüber hinaus dafür, dass trotz schneller dynamischer Vorgänge im Netz ein stabiler Arbeitspunkt erreicht werden kann. In one embodiment, the determination of the nominal network frequency takes place on the basis of a predefined first table from the actual active power and the nominal idling network frequency and a subsequent temporal smoothing. Analogously to this, the determination of the setpoint network voltage can take place on the basis of a predefined second table from the actual reactive power and the nominal open circuit voltage and a subsequent time smoothing. Through the respective tables, the setpoints can be determined very easily. The smoothing of the time also ensures that a stable operating point can be achieved despite fast dynamic processes in the network.
Vorzugsweise umfasst das Stellglied einen Antrieb und einen Antriebswechselrichter, mit dem ein Gleichstrom des Zwischenkreises in einen Wechselstrom für den Antrieb umgerichtet wird. Somit können am Netz betriebene Antriebe zur Netzstabilisierung verwendet werden. Preferably, the actuator comprises a drive and a drive inverter, with which a direct current of the intermediate circuit is converted into an alternating current for the drive. Thus, network-operated drives for network stabilization can be used.
Insbesondere kann die Energiepufferung in einer von dem Antrieb bewegten Last erfolgen. So lässt sich beispielsweise die Bewegungsenergie einer Last zu Stabilisierungsaufgaben des Netzes rückgewinnen. In particular, the energy buffering can take place in a load moved by the drive. For example, the kinetic energy of a load can be recovered to stabilize the network.
Gemäß einer Weiterentwicklung wird ein Schaltbefehl für den Antriebswechselrichter aus einem Ist-Strom von dem Antriebswechselrichter zu dem Antrieb und einem vorgegebenen magnetischen Soll-Fluss des Antriebs ermittelt. Hierdurch lässt sich eine Leistungsentnahme über den Antriebswechselrichter spezifisch für den jeweiligen Antrieb über den Soll-Fluss als vorgegebene Motorgröße realisieren. According to a further development, a switching command for the drive inverter is determined from an actual current from the drive inverter to the drive and a predetermined desired magnetic flux of the drive. This is possible Realize a power take-off via the drive inverter specifically for the respective drive via the setpoint flux as the specified motor size.
Der Schaltbefehl für den Antriebswechselrichter kann ferner mittels einer Drehmoment-Fluss-Regelung anhand eines vorgegebenen Soll-Drehmoments ermittelt werden. Durch die Regelung lässt sich also die Energie im Zwischenkreis bedarfsgerecht einstellen. The switching command for the drive inverter can also be determined by means of a torque-flow control using a predetermined setpoint torque. The regulation thus allows the energy in the DC link to be adjusted as required.
Das Soll-Drehmoment kann aus einer Ist-Zwischenkreisspannung und einer vorgegebenen Soll-Zwischenkreisspannung durch Regelung gewonnen werden. Damit lässt sich das Soll-Drehmoment unmittelbar der Zwischenkreisspannung nachführen. The setpoint torque can be obtained from an actual intermediate circuit voltage and a predetermined setpoint intermediate circuit voltage by regulation. This makes it possible to track the setpoint torque directly to the intermediate circuit voltage.
Des Weiteren kann die Ist-Wirkleistung des Netzwechselrichters für die Regelung des Soll-Drehmoments herangezogen werden. In vorteilhafter Weise kann somit durch den vom netzseitigen Wechselrichter bekannten Leistungsistwert eine Vorsteuerung der Lastleistung erreicht werden. Furthermore, the actual active power of the network inverter can be used to control the setpoint torque. Advantageously, a pre-control of the load power can thus be achieved by the power actual value known from the network-side inverter.
Die vorstehend genannten Verfahrensmerkmale stellen auch optionale funktionelle Merkmale der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dar. The abovementioned method features also represent optional functional features of the circuit arrangement according to the invention.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen: The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. The embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the present invention.
Ein erfindungsgemäßes Regelungs- und Steuerungsverfahren ist für wechselrichtergespeiste Verbraucher geeignet. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der netzseitige Wechselrichter nicht den Leistungsfluss zwischen Netz und Zwischenkreis entsprechend einem Leistungs-Sollwert regelt (Stand der Technik). Stattdessen besteht die Aufgabe des netzseitigen Wechselrichters darin, Frequenzänderungen und Spannungsänderungen im Netz entgegenzuwirken und somit das Netz zu stabilisieren, wobei insbesondere auch dynamische Vorgänge, die schneller sind als eine Netzperiode, stabilisiert werden können. Für langsame Lastpendelungen im Netz wäre ein System nach dem Stand der Technik ausreichend. Ein Stellglied als Verbraucher am Zwischenkreis bzw. ein lastseitiger Wechselrichter regelt den Zwischenkreis und beeinflusst dazu geeignet die Leistungsaufnahme der Last. An inventive control and control method is suitable for inverter-powered consumers. The method is characterized by the fact that the grid-side inverter does not regulate the power flow between the grid and the DC link in accordance with a power setpoint (prior art). Instead, the task of the network-side inverter is to counteract frequency changes and voltage changes in the network and thus to stabilize the network, in particular, dynamic processes that are faster than a network period, can be stabilized. For slow load swings in the network, a system according to the prior art would be sufficient. An actuator as a load on the DC link or a load-side inverter regulates the DC link and influences suitably the power consumption of the load.
Ein übergeordnetes Leistungsmanagement passt die Frequenz- und Spannungssollwerte für den netzseitigen Wechselrichter so an, dass im Mittel ein gewünschter Leistungsaustausch zwischen Last und Netz realisiert wird. Dazu kann z.B. ein mittleres Soll-Drehmoment oder eine mittlere Soll-Drehzahl für die Last vorgegeben werden, wenn genügend Erzeugerleistung im Netz zur Verfügung steht. A higher-level power management adapts the frequency and voltage setpoints for the grid-side inverter so that a desired power exchange between load and grid is realized on average. For this, e.g. a mean desired torque or a mean target speed for the load can be specified if enough generator power is available in the network.
Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde: Der Lastausgleich zwischen den Erzeugereinheiten im Netz, der für einen stabilen Betrieb an einem Arbeitspunkt mit gemeinsamer Frequenz und Amplitude nötig ist, erfolgt bevorzugt mithilfe so genannter Statikkennlinien (vgl.
Jeder Energieerzeuger im Netz, der zu Frequenz- und Spannungshaltung aktiv beiträgt, ermittelt mithilfe dieser Kennlinien seine aktuellen Sollwerte für Ausgabespannung und Frequenz. Häufig wird dies auch als Primärregelung bezeichnet. Besitzen beispielsweise alle Erzeugereinheiten die gleiche Nennleistung und die gleichen Kennlinien, so ergibt sich ein f-U-Arbeitspunkt im Netz, an dem alle Erzeuger die gleiche Leistung zur erforderlichen Gesamtlast beitragen. Es resultiert also eine symmetrische Lastaufteilung ohne weitere Kommunikation der Erzeuger untereinander. Each power generator in the grid, which actively contributes to frequency and voltage maintenance, uses these characteristics to determine its current setpoint values for output voltage and frequency. This is often referred to as primary regulation. For example, if all generating units have the same nominal power and characteristics, then there will be an F-U operating point in the grid at which all generators contribute the same power to the required total load. It thus results in a symmetrical load distribution without further communication between the producers with each other.
Die Wirkungsweise eines solchen Systems sei an einem einfachen Beispiel für die Wirkleistungskennlinie mit zwei Erzeugern und einer Verbraucherlast Pv erklärt (vgl.
Mit der Bedingung für die Leistungssumme P1 + P2 + PV = 0 gilt für die Frequenz des zweiten Erzeugers folgende Abhängigkeit von der Leistung des ersten Erzeugers:
Daher kann die Kennlinie des zweiten Erzeugers gespiegelt und um PV verschoben im P-f-Diagramm des ersten Erzeugers eingetragen werden, um den resultierenden Arbeitspunkt mit der gemeinsamen Frequenz fA zu veranschaulichen. Der erste Erzeuger übernimmt dabei den Anteil PE1 der notwendigen Gesamtleistung. Therefore, the characteristic of the second generator can be mirrored and shifted by PV in the P-f diagram of the first generator to illustrate the resulting operating point with the common frequency fA. The first producer assumes the share PE1 of the necessary total output.
Die Primärregelung in Netzen ist typischerweise eine schnelle P-Regelung, die Regelabweichungen nicht zu Null ausregeln kann. Stationäre Genauigkeit wird durch überlagerte langsame Sekundärregelungen erreicht, die z. B. die Leerlaufpunkte der Statikkennlinien so verschieben, dass im Mittel die Netznennfrequenz erreicht wird. Dazu ist unter Umständen auch das manuelle Zuschalten weiterer Erzeuger notwendig. The primary control in networks is typically a fast P-control, which can not balance out deviations. Stationary accuracy is achieved by superimposed slow secondary controls, the z. B. shift the idle points of the static characteristics so that the net nominal frequency is reached on average. For this purpose, the manual connection of additional producers may be necessary.
Konstant-Leistungssenken haben spezifische Wirkungen auf ein Netz. Die destabilisierende Wirkung von regulären geregelten Antriebswechselrichtern auf ein Netz zeigt eine einfache Überlegung: Angenommen sei eine temporär sinkende Netzspannung. Die Leistungsregelung des Wechselrichters erhöht daraufhin den Wirkstrom, um die Leistung konstant zu halten. Der zusätzliche Strom verursacht zusätzliche Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen und erhöht die Verluste im Netz. Folglich sinkt die Netzspannung zusätzlich und die Energieerzeuger werden zusätzlich belastet. Constant power sinks have specific effects on a grid. The destabilizing effect of regular regulated drive inverters on a grid shows a simple consideration: Let's assume a temporarily decreasing mains voltage. The power control of the inverter then increases the active current to keep the power constant. The additional current causes additional voltage drops at the network impedances and increases the losses in the network. Consequently, the mains voltage drops in addition and the power generators are additionally loaded.
Netzfrequenzänderungen haben keine direkte Auswirkung auf den Leistungsbedarf eines regulären geregelten Antriebswechselrichters. Allerdings wird das Netz aber z.B. bei fallender Netzfrequenz auch nicht durch reduzierte Leistungsaufnahme stabilisiert (entsprechend einer P-f-Kennlinie). Indirekt kann der gesamte Leistungsbedarf im Netz in diesem Beispiel sogar ansteigen, da die frequenzabhängige Impedanz der Netzinduktivitäten abnimmt. Somit steigt der Blindstrom, und die Verluste an den ohmschen Anteilen der Netzimpedanz steigen. Mains frequency changes have no direct effect on the power requirement of a regular regulated drive inverter. However, the network will be e.g. with falling line frequency also not stabilized by reduced power consumption (according to a P-f characteristic curve). Indirectly, the total power demand in the network may even increase in this example as the frequency-dependent impedance of the grid inductances decreases. Thus, the reactive current increases, and the losses of the resistive components of the network impedance increase.
Im Folgenden wird ein konkretes Beispiel anhand von
Auf der Gleichstromseite des Netzwechselrichters
Der Zwischenkreis dient zur Speisung des Verbrauchers
Bei dem Netzwechselrichter
Typische Anordnung nach dem Stand der Technik ist ein selbstgeführter Spannungszwischenkreisumrichter mit IGBTs im B6-Brückenschaltung, die mit einer Pulsfrequenz im kHz-Bereich getaktet wird und im Mittel über einen PWM-Takt Spannungs-Raumzeiger mit definierter Amplitude und definiertem Phasenwinkel am Ausgang des Umrichters realisieren kann. Üblich ist, mithilfe einer Stromregelung den Spannungs-Raumzeiger so zu berechnen, dass sich ein gewünschter Wirk- und Blindstrom am Anschlusspunkt des Netzwechselrichters ergibt. Mit den Freiheitsgraden Amplitude und Winkel (bzw. Wirk- und Blindstrom) ist ein derartiger Wechselrichter prinzipiell in der Lage eine Spannung mit definierter Amplitude und Frequenz an seinen Anschlussklemmen zu stellen. A typical arrangement according to the prior art is a self-commutated voltage source inverter with IGBTs in the B6 bridge circuit, which is clocked with a pulse frequency in the kHz range and realize on average via a PWM clock voltage space vector with a defined amplitude and defined phase angle at the output of the inverter can. It is customary to use a current control to calculate the voltage room pointer in such a way that the desired active and reactive current at the connection point of the network inverter results. With the degrees of freedom amplitude and angle (or active and reactive current), such an inverter is in principle able to provide a voltage with a defined amplitude and frequency at its terminals.
Nach dem Stand der Technik wird somit die mit dem Netz ausgetauschte Wirkleistung so geregelt, dass eine vom Prozess geforderte Sollleistung erreicht wird (beispielsweise aufgrund des aktuellen Leistungsbedarfs eines am Zwischenkreis angeschlossenen Antriebs oder für das Nachladen der Zwischenkreiskapazität (siehe z.B.
Unabhängig von der Wirkachse kann der Blindstrom auf einen Sollwert geregelt werden. Aufgrund des Spannungsabfalls an den Netzinduktivitäten kann mit dem Blindstrom die Höhe der Netzspannung beeinflusst werden. Dies wird bereits heute genutzt und z.B. in Netzanschlussnormen für Energieerzeugungsanlagen (siehe Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.: „Richtlinie für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz“, 2008) gefordert. Von Umrichtern erzeugte Blindleistung dient somit der Netzstützung bzw. Stabilisierung. Im Vordergrund steht dabei die Spannungshaltung bzw. der Kompensation der Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen bei Laständerungen. Regardless of the effective axis, the reactive current can be regulated to a setpoint. Due to the voltage drop at the mains inductances, the amount of mains voltage can be influenced by the reactive current. This is already being used today and e.g. in grid connection standards for power generation plants (see Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V .: "Guideline for Connection and Parallel Operation of Generation Plants on the Medium-Voltage Grid", 2008). Reactive power generated by converters thus serves as network support or stabilization. In the foreground stands the voltage maintenance or the compensation of the voltage drops at the network impedances with load changes.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird nun zusätzlich die Wirkachse in die Netzstabilisierung einbezogen, die für die Frequenzhaltung im Netz benötigt wird. Für kurzzeitige dynamische Vorgänge wirkt der Verbraucher damit im Netz mit seiner vollen Leistung als zusätzliche Erzeugereinheit. Insgesamt wird damit ein konkretes Verfahren bereitgestellt, mit dem Umrichterlasten im Netz mit ihrer gesamten dynamischen Leistung zu Primärregelung von Spannung und Frequenz (bzw. Blindleistung und Wirkleistung) und damit zur dynamischen Stabilisierung des Netzes beitragen. According to the present invention, the effective axis is now also included in the network stabilization, which is needed for frequency maintenance in the network. For short-term dynamic processes, the consumer thus acts in the network with its full power as an additional generator unit. Overall, this provides a concrete method by which converter loads in the network with their entire dynamic power contribute to primary regulation of voltage and frequency (or reactive power and active power) and thus to the dynamic stabilization of the network.
Zu diesem Zweck wird mit dem Netzwechselrichter
Der lastseitige Verbraucher
Ebenso wie die Frequenz wird auch die Amplitude der netzseitigen Ausgangsspannung des Netzwechselrichters
Das Beispiel von
Für die Möglichkeit zur Wirkleistungsstützung muss die Applikation gegebenenfalls zunächst in einen geeigneten Betriebszustand/Lastzustand gebracht werden. Für eine Stabilisierung muss die Leistung erhöht und verringert werden können. Im Falle eines Lastwiderstands (Choppers bzw. Bremswiderstands) muss zunächst ein Betriebspunkt mit Leistungsaufnahme angenommen werden, bevor eine entsprechende Entlastung möglich ist. If necessary, the application must first be brought into a suitable operating state / load state for the possibility of active power support. For stabilization, the power must be increased and decreased. In the case of a load resistance (chopper or braking resistor), an operating point with power consumption must first be assumed before a corresponding discharge is possible.
Zur Regelung des Antriebs-Wechselrichters
Netzseitig wird mit der Leistungsmesseinrichtung
Die Blöcke Wirkleistungsstatik
Für die „Regelung“ der Netzfrequenz kann im einfachsten Fall im Block
Eine aufwendige, aber prinzipiell mögliche Alternative für den Integrator und das Proportionalitätsglied in dem Block
In der übergeordneten Steuerung
Mit einer langsamen Regelung (z.B. PI) können die Statik-Leerlaufpunkte so nachgeführt werden, dass im Mittel stationäre Genauigkeit für das Drehmoment eines Antriebs oder die Netzamplitude erreicht wird. Vergleichbare Wirkung bei Kraftwerken hätte die so genannte Sekundärregelung. With slow control (e.g., PI), the static idle points can be tracked to achieve on average steady state accuracy for the torque of a drive or the network amplitude. Comparable effect on power plants would have the so-called secondary regulation.
Prinzipiell kann auch die Abweichung zwischen Drehzahl-Istwert und Sollwert von einem PI-Regler genutzt werden, um die Leerlauffrequenz f0 nachzuführen. Aufgrund der Glättung im Statik-Kanal ist dies aber nur für Antriebe mit langsamer Dynamik sinnvoll und stabil. In principle, the deviation between actual speed value and setpoint value can also be used by a PI controller in order to track the idling frequency f0. Due to the smoothing in the static channel, however, this is meaningful and stable only for drives with slow dynamics.
Die Verwendung linearer Kennlinien für die Statik ist sinnvoll, aber nicht zwingend. Allgemein sollte die Steigung monoton sein. The use of linear characteristic curves for statics makes sense, but not mandatory. Generally, the slope should be monotone.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, die Soll-Antriebsleistung für den lastseitigen Umrichter
Optional können auch zusätzliche Dämpfungsglieder zur Vermeidung von Leistungspendelungen zwischen Netz und stabilisierendem Netzwechselrichter implementiert werden. Prinzipiell kann dies mit einem additiven D-Anteil (eines PID-Reglers) im Frequenzregelungspfad realisiert werden. So kann beispielsweise gemäß
In einer alternativen Ausführungsform gemäß
Für die prinzipielle Funktion der "Stabilisierung des Netzes" ist eine Dämpfung (z.B. mit einem D-Anteil) nicht zwingend. Allerdings wird man in den meisten Fällen eine derartige Dämpfung verwenden, da das Betriebsverhalten im Allgemeinen verbessert wird. For the principal function of "stabilizing the network" damping (for example with a D-component) is not mandatory. However, in most cases such damping will be used as performance is generally improved.
Der vorgeschlagene Ansatz unterscheidet sich von Verfahren, die mithilfe einer Modellbildung versuchen, das Betriebsverhalten von Synchrongeneratoren mit einem Umrichter möglichst genau nachzubilden. Zum einen ist der vorliegende Ansatz wesentlich praktikabler, da im Vergleich kaum Aufwand für die Einstellung von Modellparametern entsteht. Zum anderen sind die Synchronmaschinenmodelle vorgesehen für Erzeugungsanlagen mit Netzstromrichtern, die das Netzverhalten von Synchrongeneratoren möglichst genau nachbilden sollen. Im vorliegenden Fall sollen jedoch Verbraucherlasten, die in der Summe einen signifikanten Anteil der Erzeugerleistung benötigen, zur Netzstabilisierung beitragen. The proposed approach differs from methods that use modeling to try to replicate the performance of synchronous generators with a drive as closely as possible. On the one hand, the present approach is much more practicable since there is hardly any effort in comparison to set model parameters. On the other hand, the synchronous machine models are intended for generating plants with line rectifiers, which should simulate the network behavior of synchronous generators as closely as possible. In the present case, however, consumer loads, which together require a significant proportion of the producer's output, are expected to contribute to grid stabilization.
Erfindungsgemäß wird somit auch an sehr leistungsschwachen Netzen der Betrieb großer Antriebsumrichter möglich. Dies ist von besonderem Interesse z.B. in Schiffsnetzen, wo die Anforderung besteht, große Fahrantriebe in Teillast mit minimaler Generatorkonfiguration zu betreiben (Treibstoffersparnis). Dabei werden Resonanzeffekte in der Netzspannung sowie Netzspannungs- und Frequenzschwankungen wirksam unterdrückt. Das Netz wird somit stabilisiert. Ähnliche Anforderungen sind in anderen Inselnetzen mit großen Antrieben zu erwarten, z.B. im Bergbau. According to the invention, the operation of large drive converters is thus possible even on very low-power networks. This is of particular interest e.g. in ship nets, where there is a requirement to operate large traction drives in partial load with minimal generator configuration (fuel economy). In this case, resonance effects in the mains voltage as well as mains voltage and frequency fluctuations are effectively suppressed. The network is thus stabilized. Similar requirements are to be expected in other large-scale stand-alone networks, e.g. in mining.
Darüber hinaus kann in den so genannten „SmartGrid-Netzen“ mit hohem Anteil dezentraler Erzeugung mit Wechselrichter- Einspeisungen die Frage der dynamischen Netzstabilität erheblich an Bedeutung gewinnen. Da hier die Versorgungssicherheit großräumig betroffen sein kann, liegt eine entsprechende ökonomische Bedeutung vor. In addition, in the so-called "SmartGrid networks" with a high proportion of decentralized generation with inverter feeds, the question of dynamic grid stability can become considerably more important. Since the security of supply can be affected on a large scale, there is a corresponding economic importance.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1990906 B1 [0008, 0044] EP 1990906 B1 [0008, 0044]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Norm IEC/TS 62578 [0042] Standard IEC / TS 62578 [0042]
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