Fortschritt-Berichte VDI

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1 Fortschritt-Berichte VDI Reihe 21 Elektrotechnik Dipl.-Ing. Frank Schettler, Erlangen Nr. 361 Selbstgeführte Pulswechselrichter mit Gleichspannungskreis für den Einsatz in Hochspannungsnetzen zur Sicherung der Energiequalität mittels Wirk- und Blindleistung VDI Verla*

2 V Inhaltsverzeichnis Abstract X 1 Einleitung Einsatz selbstgeführter Pulswechselrichter mit Gleichspannungskreis in der Energiewirtschaft Zielstellung der vorliegenden Arbeit Aufbau und inhaltliche Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit 4 2 Pulswechselrichteranlagen mit Gleichspannungskreis Systematische Einordnung der Pulswechselrichter mit Gleichspannungskreis in die Stromrichtertechnik Kriterien für die Systematisierung Systematisierung der Stromrichter hinsichtlich der Schalteigenschaften der Bauelemente Systematisierung der Stromrichter nach den Strömen und Spannungen an den Eingangs- und Ausgangsklemmen Einordnung Funktionsprinzip von Pulswechselrichtern mit eingeprägter Gleichspannung Allgemeiner Aufbau der Pulswechselrichter und vereinfachtes Ersatzschaltbild Schaltzustände und Energieflussrichtung Aktive und passive Schaltvorgänge Kommutierungsvorgänge Hartes und Weiches Schalten 17

3 2.2.6 Prinzipielles Ersatzschaltbild des Kommurierungskreises Pulsweitenmodulation Aufbau von Pulswechselrichter-Anlagen mit Gleichspannungskreis Kriterien für die Schaltungsauswahl Allgemeiner Aufbau einer PWR-Anlage Topologien von Pulswechselrichter-Stationen 35 Berechnung der Ströme und Spannungen Ersatzschaltbild von Pulswechselrichteranlagen Verfahren zur einheitlichen und systematischen Beschreibung von Pulswechselrichteranlagen Netzwerkanalyse nach der Methodik der Tensorrechnung Theorie der Transformationen Reduktion eines Systems auf unabhängige Ströme mittels linearer Transformationen Komponentensysteme Analyse der Spannungspulswechselrichter-Schaltungen Allgemeine Vorgehensweise Analyse einer Dreipunktschaltung Analyse der Transformator- und Drosselschaltungen Der Impedanztensor von Mehrwicklungstransformatoren und Drosselspulen mit magnetischer Kopplung Analytische Beschreibung eines Transformators mit der Schaltgruppe YNy0d Differentialgleichungssystem zur Berechnung der Ströme und Spannungen 107

4 VII 3.7 Verfahren zur Lösung des Differentialgleichungssystems Berechnung der Ströme und Spannungen im eingeschwungenen Zustand unter vereinfachenden Annahmen Einflussgrößen der Stromrichterströme Annahmen Wahl des Komponentensystems Lösen des Differentialgleichungssystems Bestimmen der Allgemeinen Lösung Bestimmen der partikulären Lösung Berechnen der Anfangsbedingung Berechnung der Ströme eines Dreipunktpulswechselrichters Flussberechnung der Stromrichterspannung Flussberechnung der Netzspannung Berechnung des Stromverlaufs 129 Netzfrequente Wirk- und Blindleistung Bedeutung analytischer Beziehungen für die netzfrequente Wirkund Blindleistung Ersatzschaltbild für die Grundschwingung Grundschwingungs-Scheinleistung Scheinleistung am Netzanschlusspunkt Scheinleistung an den Stromrichterklemmen Berechnung der Parameter eines Betriebspunktes Der Design-Punkt der Pulswechselrichteranlage UI-Diagramme für den Blindstrom 149

5 VIII Darstellung möglicher Betriebspunkte im UI-Diagramm unter Berücksichtigung der Kennlinie des Drehstromnetzes Giundschwingungswirkstrom und Gleichstrom am Stromrichter Auslegungs- und Bemessungskriterien Schaltungsauswahl und Bemessung Maximal erreichbare Leistung am Netzanschlusspunkt Berechnung der maximal erreichbaren Leistung einer Pulswechselrichteranlage am Netzanschlusspunkt Vorgaben Optimierungsaufgabe Zielfunktion für die Optimierung des Blindleistungsaustausches Lösung der Optimierungsaufgabe Beispiel einer einfachen Optimierungsaufgabe Anwendung der Optimierungsrechnungen Weitere anlagenspezifische Auslegungs- und Bemessungskriterien Dynamische Kompensation des Blindleistungsbedarfs eines Windparks Das Projekt STATCOM für den Windpark Rejsby Hede Allgemeines Technischer Hintergrund des Projekts Anlagenkonzept für den STATCOM Mathematische Beschreibung der STATCOM-Anlage 183

6 IX Elemente des Basissystems lineare Transformation zur Reduktion des Systems auf die unabhängigen Ströme Lösung des Differentialgleichungssystems Allgemeine Lösung Spezielle Lösung Zeitverläufe der Ströme Das charakteristische Spektrum der PWR-Anlage Fesdegung des Pulsmusters Grundschwingungsgrößen Design-Punkt und Betriebsbereich der STATCOM-Anlage Berechnung des Lastflusses der Grundschwingung im Windparknetz Charakteristische Betriebspunkte und UI-Diagramm Wesentliche Erkenntnisse aus dem Projekt Zusammenfassung Inhaltliche Ausrichtung der Arbeit Herleitung eines allgemeingültigen Ersatzschaltbilds Verfahren für die Berechnung der Ströme und Spannungen Bedeutung analytischer Beziehungen für die Zeitverläufe der Ströme und Spannungen bei der Bemessung von PWR-Anlagen 234 Literaturverzeichnis 237