Stationärer Betrieb von Stromrichtern am Drehstromnetz

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1 Stationärer Betrieb von Stromrichtern am Drehstromnetz IEEE - Power an Energy Stent Smmit (PESS) 217 Technical Lectre gerhar.herol@fa.e IEEE PESS Jni 217 1

2 Drehstromnetz Ramzeiger-Ersatzschaltng & Bezgsgrößen h weitere Abgänge v Z Zh ZT R X wt Die Leerlafspannngen es Drehstromsystems seien kosinsförmig n symmetrisch. Der Leerlafspannngs-Ramzeiger besteht ann nr as er Mitkomponente. ˆ jwt ˆ jg jwt Bezgsspannng ˆ p p1 e p1 e e bez p1 U U U U U Bezgsstrom: reipoliger Krzschlßwechselstrom an en rehstromseitigen Stromrichterklemmen. Bezgsimpeanz: Krzschlßimpeanz an en rehstroms. Stromrichterklemmen bei Betriebsfreqenz Bezgsleistng bez. Ramzeiger-Spannngsgleichng U p IEEE PESS Jni I bez 3 Sbez 3U p1 Ik UbezIbez Sk 2 p e jg Uˆ Uˆ ˆ U Ik Z R j X Z e jwt p(1) p(1) bez z i mit z r x p Z h I v U h Z T Z R j X bez i U v bez wt

3 Gleichstrom-Ersatzschaltng U k I Z U Z Z R X z r x t Z wt bezogen w bez z i bezogene Gleichspannngs-Gleichng k Gleichstromleistng er Drehstrombrücke bez. Gleichstromleistng 2p p p 3 p 3 P U I wt U I wt Ua Ia mit p 6 2p p P 2 U I 2 U p a ia mit S 3U I 3 I a a a bez bez bez a Plszahl arithm. Mittelw. von Gleichspg. & -strom IEEE PESS Jni 217 3

4 Normale Betriebszstäne er Drehstrombrücke Im stationären Betrieb sin ie Gleichspannngen & -ströme perioisch mit 6-facher Betriebsfreqenz v v p 3 Währen Gleichstromperioe finet im Normalbetrieb netzgeführter Stromrichter ein Wechsel zwischen rei n zwei stromfüh-renen Ventilen statt. Kommtierng Einfachventilbeteiligng Kommtierng Einfachventilbeteiligng Symmetrisches Drehstromnetz R S T Symmetrisches Drehstromnetz R S T Gleichstromnetz Gleichstromnetz Die Beteiligng er Ventile verläft nach er angegebenen Nmerierng Alle Gleichstromperioen verlafen gleich, so aß nr eine berechnet mß IEEE PESS Jni

5 Perioizität es stationären sechsplsigen Stromrichterbetriebes As er Perioizität er sechsplsigen Gleichgrößen folgt ie er sechsplsigen Ramzeiger im rhenen Koorinatensystem v p v 3 2 v p a v 3 Im synchron mlafenen Koorinatensystem sin Gleichgrößen- & Ramzeigerperioizität gleich. v jwt p v e v v 3 r r r Die Ramzeiger aller Drehstrom-Zstansgrößen sin sechsplsig perioisch. Der Übergang er Zstansgrößen von er Kommtierng zr Einfachventilbeteiligng verläft stetig. v b v b v b v b Mit en Perioizitäts- & Übergangsbeingngen aller Zstansgrößen es Stromrichtersystems ist er stationäre Betrieb efiniert. IEEE PESS Jni 217 5

6 Sechsplsiger Ramzeiger & seine Perioizität 1 Imv v 6 p v 1 Ramzeigerperioe v Rev 1 v T vr vs 1 t 2 An einem sechsplsigen Ramzeiger ist ie Perioe etlich z erkennen, sie in seinen Stranggrößen wieerzfinen, bracht es zminest Übng n Erfahrng. IEEE PESS Jni 217 6

7 Krzschlßzstan er Drehstrombrücke Symmetrisches Drehstromnetz R S T Gleichstromnetz Bei Kommtierng in beien Brückenhälften ist ie Drehstrombrücke bei vernachlässigbaren Ventilzweigimpeanzen sowohl rehstrom- als ach gleichstromseitig krzgeschlossen, so aß kein Leistngsastasch zwischen beien Systemen stattfinen kann. R R 1 4 S T 2 2 v R a a 1 3 k 1 4 Vier leitene Ventile treten af, wenn ie Kommtierngsaer netzgeführter Stromrichter länger als ie Gleichstromperioe ist. Bei vernachlässigbaren Ventilzweigimpeanzen ist ie maximale Kommtierngsaer er Drehstrombrücke gleich er Gleichstromperioe. b 6 pmax p 3 IEEE PESS Jni 217 7

8 Gleichstrombetrag als f(, ) Gleichrichter Wechselrichter Gleichrichter Wechselrichter i a 3 ja ja b 3 e e mit ia 2 abs Isohypsenabstan 2 Di a,5 i a abs IEEE PESS Jni 217 8

9 Gleichspannngsbetrag als f(, ) Gleichrichter Wechselrichter Gleichrichter Wechselrichter j j a a i3 e a b e mit a 2 i3 i6 Isohypsenabstan Da,5 i 6 abs IEEE PESS Jni 217 9

10 Zeigeriagramm es stationären Betriebes Für en Steerwinkel ist nr er Bereich von bis mit positivem Gleichstrom von Interesse. Imz max 3 Der ieale stationäre Stromrichterbetrieb wir rch zwei komplexe Zahlen efiniert: z ja e n z e ja b 1 2 Re z z min max z z 2 Ihre Smme bestimmt ie Gleichspannng n en flüchtigen Kommtierngsstrom n ihre Differenz en Gleichstrom. z z z n z z z S 1 2 D 1 2 Smme & Differenz zweier betragsgleicher komplexer Zahlen sin stets orthogonal. 3 3 Re z R z i z sowie i Re z i6 e n Re a i3 S S a D kf S IEEE PESS Jni z z 2 z z 1 max Re z Rez

11 Leerlaflinien es stationären Betriebes Imz z 2 z 2 z z 1 Rez z z z z z 1 2 Gleichspannng entlang er Leerlaflinien b a i6 cos 2 z 2 Im Leerlaf ist er Gleichstrom nll. Gleichrichterbetrieb Wechselrichterbetrieb IEEE PESS Jni z D S Leer- Re z i laf a Im a b a W a G p p 2 G b 2

12 Ventillinien es stationären Betriebes Die Richtngen es af- & es abkommtierenen Stromes müssen infolge er Ventilwirkng gleich sein. In er näheren Umgebng er Leerlaflinien ist as aber nicht er Fall: Wechselrichtergrenze für i a ia i i i i i T R T R S Gleichrichtergrenze für i a,2 i it ia a 1,412 ia,254 4 i S,2 i R 2 a 1,515 3 ia,87 2 a 1,528 ia 3 a 1,515 ia,87 a 1,412 ia,254 t 3 t 3 t 3 t 3 t 3 Die mit Halbleiterventilen nzgänglichen Steerwinkelbereiche liegen für r = symmetrisch z en Leerlaflinien. theoretisch ntzbarer Steerwinkelbereich a p b 3 Gleichspannng & -strom a i 1 cos b entlang er Ventillinien 3 ia 1cos b 2 IEEE PESS Jni

13 Krzschlßlinie es stationären Betriebes Im Krzschlß ist ie Gleichspannng nll. z k z 2k Krz- Im z k schlß ak Re z D S k Imz z 1k p b a k 2 2 k z 2k z Gleichstrom entlang b b i 3 sin 2sin er Krzschlßlinie ak i abs 2 2 k Rez IEEE PESS Jni

14 Gleichstromverlaf mit charakteristischen Linien Gleichrichter i abs Wechselrichter i a, b a Isohypsenabstan Dia,5 iabs IEEE PESS Jni

15 Gleichspannngsverlaf mit charakter. Linien Gleichrichter i abs Wechselrichter a, b a i6 i 6 D,5 Isohypsenabstan a i6 IEEE PESS Jni

16 Kipplinien es stationären Betriebes p x i Maximale Drehstrom-Wirkleistng an en Stromrichterklemmen im iealen System (Anpassng): v p j e 4 v Re v Re p r 2 1 i p i i 2 2 Die Stromrichter-Kipplinien liegen in er Mitte zwischen en Leerlaflinien & er Krzschlßlinie 2 jz2 1 jz IEEE PESS Jni jz2 jz jz1 Imz z z z2 z z2 Rez 3 a b p n b p p G a W a G z z 2 j b j b 2 2 z 2 z j b 2 j b 2 Re S Re j S Re e e n Re D Re j D Re je je 2 2 Leistngsverlaf entsin sin, p 3 lang er Kipplinien i b b pabs 3 2 2p 4p Die maximale Stromrichterleistng ist kleiner als ie maximale Drehstromleistng.

17 Gleichstromleistngsbetrag mit charakter. Linien Gleichrichter pabs i abs Wechselrichter pabs p a, b i6 i 6 Dp Isohypsenabstan,5 abs p IEEE PESS Jni

18 Gleichstromleistng mit charakter. Linien Gleichrichter pabs Wechselrichter pabs p a, b Dp Isohypsenabstan,5 abs p IEEE PESS Jni

19 v1 j v1 v1 1 v1 v1 v1 2 2 v1 v1 Leistngsgrößen es Drehstromnetzes Grnschwingngsleistngen an en Stromrichterklemmen p p s p q i q l Im s p p s p q Wirkleistng Grnschwingngs-Scheinleistng Grnschwingngsblinleistng Verschiebngsblinleistng Grnschwingngsleistngsfaktor Totale Scheinleistng, Blinleistng n Leistngsfaktor s i s p q n l e e Grnschwingngsleistngen an er Spannngsqelle p p p v 1 j 1 p 1 s p q i q l p s s Im p p s p q Wirkleistng Grnschwingngs-Scheinleistng Grnschwingngsblinleistng Verschiebngsblinleistng Grnschwingngsleistngsfaktor ebenso am Verknüpfngspnkt h Die Leistngsgrößen lassen sich für jeen Pnkt zwischen Drehstrom-Spannngsqelle & Stromrichter bestimmen. IEEE PESS Jni

20 Zerlegng er Leistngsgrößen Die Ursachen für ie Blinleistng sin Verschiebng & Verzerrng s q s s s s p q p q s 2 1 q 2 s 1 q 1 s1 q 1 q s1 p q1 n s p q p p s s 1 q q 1 Wenn ie totale Blinleistng als Verschiebngsblinleistng interpretiert wir, erhält man für en Stromrichter ein Lastmoell, as bei Lastflßberechnngen Ergebnisse af er sicheren Seite liefert. 1 1 p P S cos j wie ach P S cos j mit cos j l IEEE PESS Jni 217 2

21 Grnschwingngsblinleistng am Stromrichter Gleichrichter Wechselrichter q v1max q v1,5 q Isohypsenabstan v1 v1max IEEE PESS Jni Dq

22 Grnschwingngsscheinleistng am Stromrichter Gleichrichter Wechselrichter s v1 s s abs v 1 k v 1 abs q v1max s v1 s, 421 p n s q,79 bzw. q v1 abs abs v1 k v1k v1max IEEE PESS Jni Isohypsenabstan D s,5 s v1 v1 abs

23 Verzerrngsstrom Gleichrichter Wechselrichter i D id max,84 Krzschlßlinie Isohypsenabstan Di D,5 i Dmax IEEE PESS Jni

24 Wirkng ohmscher Wierstäne im System 1 i, p i a r Im inktiven System sin Gleichstrom & Gleichspannng orthogonale Fnktionen es Steer- & es Kommtierngswinkels. Drch einen ohmschen Spannngsabfall sin beie voneinaner abhängig. 1 G 1 i, i p k i a Mit em Nllrchgang er Spannng verschieben sich ie Krzschlß- n ie Leerlaflinie er Spannng. Die charakteristischen Linien es Stromes änern sich nicht. Der Mittelwert er Gleichleistng ist negativ. 1 IEEE PESS Jni r

25 Orthogonale Komponenten er Spannng zm Strom 1 i, i a w Die Spannng ist in orthogonale Komponenten in Bezg zm Strom zerlegbar. Damit lassen sich ach orthogonale Leistngsgrößen angeben. 1 p 1 i p b b p K p m p w 1 p IEEE PESS Jni

26 Gleichgrößen im ohmsch-inktiven System Gleichrichter Wechselrichter i a, Die charakteristischen Linien es Stromes bleiben in sehr gter Näherng erhalten, ie er Spannng verlafen flacher. Die Kipplinien liegen jeweils in er Mitte zwischen Krzschlß- & Leerlaflinie. Die Kippleistng ist im Wechselrichterbetrieb höher als im Gleichrichterbetrieb a, p IEEE PESS Jni ,

27 Drehstrombrücke mit ohmscher Last Eine ngesteerte Brücke arbeitet bei Krzschlß im absolten Krzschlßpnkt. Der Gleichstrom kann rch ie Steerng zwischen k & /2 vom maximalen Krzschlßstrom af nll veränert weren. w w 5w k r r 1w w 16,388 Der Steerwinkel ist nicht frei wählbar. 2w 2 Vergrößert man en Wierstan vom absolten Krzschlßpnkt an, ann bleibt er Kommtierngswinkel bis zr Ventillinie znächst maximal n ie Krzschlßlinie verläft mit znehmener Krümmng immer flacher. Ab er Ventillinie bleibt er Steerwinkel nll n er Kommtierngswinkel nimmt ab, aber ie vollstänige Krzschlßlinie hat im nicht zgänglichen Bereich ihre Fortsetzng. Sie schmiegt sich mit steigenem Wierstan an ie Leerlaflinie n ie Linie = an. IEEE PESS Jni

28 Betriebs-Kennlinien er DB im Gleichrichterbetrieb Die Strom-Spannngs- & ie Spannngs- Leistngs-Kennlinien sin für ein Stromrichtersystem in er gleichen Weise angebbar wie für ein symmetrisches Drehstromsystem. Die Stromrichter-Kippleistngen sin kleiner als ie Drehstrom-Kippleistngen,.h., ie Übertragngsfähigkeit es Stromrichtersystems ist geringer als ie es symmetrischen Drehstromsystems. 1 p 3ac w w w 24,144 w i 3ac p i, p p i 1 IEEE PESS Jni

29 Zeigeriagramm eines ohmschinktiven Stromrichtersystems Die Grnschwingngen er Ströme & Spannngen sin ie Mittelwerte ihrer Ramzeiger im synchron mlafenen Koorinatensystem. Im p-plsigen Stromrichtersystem sin ie Ramzeigerbahnen in er komplexen Ebene mit p-facher Betriebsfreqenz perioisch. q, i q,5 i b i b1 IEEE PESS Jni ,522 1 i 1 p1,5 1, i Wollte man ie Netzrückwirkngen es Stromrichters am Verzweigngspnkt h vollstänig kompensieren, benötigte man einen Kompensatorstrom, er en argestellten Blinstrom z nll ergänzt. j arg h i i i i mit i Re i e K b w w 1 1 p h h i w i i hh,1

30 Schwingngsfähiges Stromrichtersystem Das einfachste schwingngsfähige Stromrichtersystem ist ein ohmschinktives mit Reihenresonanzkreis. Es besitzt rei Zstansgrößen- Ramzeiger. p in zh z K x c h i z T h c z p k e k l z 2 1 z z p Allgemeine Zstansgleichng er Ersatzstromkreise p rh rk 1 rk in xh xk xk in xc xc c 1 c wt p p rh rt r i xh xt x i v v 1 1 p p R v X X R v X p p wt wt Eigenwerte c jn p c jn r Im Leerlafkreis entfällt er Stromrichterstrom als Zstansgröße, soaß as System insgesamt elf Zstansgrößen besitzt, ie über ie Beingngen es stationären Betriebes miteinaner verknüpft sin. Mit t als nabhängige Variable sin ie Eigenwerte af ie Betriebskreisfreqenz bezogen. p j Dämpfng Eigenfreqenz 2 n 2 Resonanzfreqenz komplexer Eigenwert IEEE PESS Jni 217 3

31 Der Reihenresonanzkreis wir af eine Freqenz abgestimmt, ie im Stromrichtersystem als harmonische Freqenz nicht aftreten kann, m ie Konensatoren vor z hoher Belastng rch höhere Stromharmonische z schützen. Verrosselte Konensatoranlage q, i q i K i K1 i K i b i w i N1 1 i N p1 hh,1 Resonanzfreqenz es Konensatorzweiges n K 3 Systemeigenfreqenzn e n n n n l k e k 2,8765 2,8861 2,888 2,956,5 i b i i 1 b1,3126, 2673 i,5 1, i IEEE PESS Jni

32 Sagkreisanlage Der Reihenresonanzkreis wir af ie nierigste Freqenz abgestimmt, ie im System als harmonische Freqenz aftritt, m zsätzlich zr Verschiebngsblinleistng ach Verzerrng z kompensieren. q, i q i K i K1 i K i b i w p1 hh,1 i N1 1 Resonanzfreqenz es Konensatorzweiges n K 5 Systemeigenfreqenzn e n n n n l k e k 4, , , 496 4,5688,5 i i 1 b1 i b i,3312, 2395,5 1, i IEEE PESS Jni i N

33 Resonanz es Stromrichtersystems Der Reihenresonanzkreis ist so abgestimmt, aß ie Systemeigenfreqenzen im Mittel gleich einer harmonischen Freqenz sin q, i q 2 i K i K i b, 2528,1565 Resonanzfreqenz es Konensatorzweiges i b h p 1 i n K 33 5,7446 Systemeigenfreqenzen n n n n l k e k 4,9435 4,9973 5,82 5,115 2 i bv Verzerrng bei verrosselter K 2 2 i N, i IEEE PESS Jni

34 Stromrichterleistng bei Resonanz Da sich ie Eigenfreqenzen er vier Ersatzstromkreise nterscheien, gibt es keinen einetigen Resonanzpnkt n as Resonanzverhalten ist vom Steer- n Kommtierngswinkel abhängig. Der Arbeitsbereich es Stromrichters mit seinen charakteristischen Linien ist verzerrt. Gleichrichter Wechselrichter p, IEEE PESS Jni

35 Spannngsmrichter am Drehstromnetz Netz Ach Stromrichtersysteme mit selbstgeführten Umrichtern können in Resonanz geraten. Trotz er höherfreqenten Verzerrng ist ie sechsplsige Grnperioizität etlich erkennbar. i Z i1 i 2 Z1 Z Z 4 2 i 3 p1 p 2 X c Z c 3 p R c,6 Imi i k3 4 Im kc i k2,6,6 Rei i k1,6 4 4 Re IEEE PESS Jni

36 Vielen Dank für Ihre Afmerksamkeit IEEE PESS Jni