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Mittelspannungsumrichter als Netzstromrichter

Leitung:Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens

 

In den letzten Jahren haben dezentrale Energiequellen wie Windenergieanlagen, PV-Anlagen oder Biogasanlagen immer mehr an Bedeutung gewonnen. Durch die stetig wachsende Leistung solcher Erzeuger ist es nicht wirtschaftlich, deren Energie, so wie es bei Anlagen kleinerer Leistung üblich ist, in das Niederspannungsnetz einzuspeisen.

Aus diesem Grund wird die Energie von größeren Erzeugungsanlagen direkt in das Mittelspannungsnetz eingespeist. Dafür können prinzipiell rückspeisefähige Antriebsumrichter, die schon seit geraumer Zeit zum Stand der Technik gehören, verwendet werden.

Die Konzepte für rückspeisefähige Antriebsumrichter sehen allerdings vor, dass diese an einem Industrienetz betrieben werden. Dort gelten relativ großzügige Grenzwerte bezüglich der Spannungsqualität. Außerdem wird die gewonnene Energie direkt von anderen Verbrauchern innerhalb des Netzes verbraucht. Eine Rückspeisung über den Netzanschlusspunkt (PCC = Point of Common Coupling) hinaus in das öffentliche Netz findet nicht statt. Werden Erzeugungsanlagen hingegen direkt an das Mittelspannungsnetz angeschlossen, gelten die „Technischen Richtlinien für Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz“ des BDEW.

Im Zuge eines Industrieprojektes wird am IAL untersucht, wie vorhandene Konzepte für rückspeisefähige Antriebsumrichter erweitert werden können, damit mit diesen eine direkte Netzeinspeisung von dezentralen Energiequellen in das Mittelspannungsnetz, unter Berücksichtigung der Vorgaben der Netzbetreiber, möglich wird. Dabei geht es vor allem um die Einhaltung der Grenzwerte für die Spannungsharmonischen und um das Verhalten des Umrichters bei kurzzeitigen Einbrüchen der Netzspannung.

Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen 3-Punkt-NPC-Umrichter mit niedriger Schaltfrequenz. Die niedrige Schaltfrequenz wird verwendet, damit die Schaltverluste des Umrichters minimiert werden. Daraus resultieren allerdings relativ stark ausgeprägte Harmonische im Spektrum der Umrichterausgangsspannung.

                       Abb. 1: Grenzlinien für den Spannungsverlauf am PCC

 

Zur Reduzierung dieser Harmonischen wurden im Zuge dieses Projektes mehrere Filtervarianten untersucht und bewertet. Außerdem wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem eine Optimierung der Filterparameter unter Berücksichtigung diverser Randbedingungen möglich ist.

Im zweiten Teil des Projektes steht die Regelung des Umrichters im Mittelpunkt. Aus den Vorgaben der Netzbetreiber geht hervor, dass der Umrichter bei kurzzeitigen Spannungseinbrüchen weiterhin am Netz bleiben muss, um so einen Beitrag zum Kurzschlussstrom und zur Netzstabilität zu leisten. Grenzlinie 1 in Abb. 1 zeigt den Verlauf der Netzspannung, bei der der Umrichter in jedem Fall weiterhin am Netz bleiben muss. Bei Spannungsverläufen zwischen den Grenzlinien 1 und 2 kann der Verlauf des Kurzschlussstroms mit dem Netzbetreiber abgestimmt werden.

Die Aufgabe innerhalb dieses Projekts besteht darin, Regelungsstrategien zu entwickeln, mit denen ein Durchfahren des dargestellten Fehlers möglich wird. Eine weitere Eigenschaft von 3-Punkt-NPC-Umrichtern ist, dass die Mittelpunktspannung des Zwischenkreises durch dynamische Vorgänge verschoben wird. Daraus resultieren eine ungleichmäßige Belastung der Halbleiter und eine unsymmetrische Ausgangsspannung. In einem weiteren Projekt am IAL werden daher neue Regelungsstrategien entwickelt, mit denen die Symmetrie der Mittelpunktspannung verbessert werden kann.

 

Ansprechpartner Leibniz Universität Hannover

Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens
Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL)
mertensial.uni-hannover.de

 

 

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