Leistungselektronik II

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1 01 4. Anwendungen für erneuerbare Energien 4.1 Windenergieanlagen (WEA) Aufbau von Windenergieanlagen Generatoren und deren Betrieb Topologien selbstgeführter Gleich- u. Wechselrichter 4.2 Photovoltaikanlagen (PVA) Aufbau von Photovoltaikanlagen PV-Generatoren und deren Betrieb Wechselrichter für Photovoltaikanlagen 4.3 Netzanbindung Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ, HVDC) Blindleistungs-Beeinflussung

2 Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Übertragungsleitung bei Wechselspannung: - kapazitiver Querstrom und dadurch zusätzliche ohm sche Verluste, - induktiver Spannungsabfall. bei Gleichspannung: o.g. Effekte entfallen. Netzkupplung zwischen zwei asynchronen Drehspannungsnetzen Transformator untauglich. Maschinenumformer (rotierender Umformer) möglich. 3 ~ I DC U DC Bild Zweidrahtleitung mit Ersatzschaltbild = Grenzdaten (Stand 2013) HGÜ mit netzgeführten Stromrichtern (Line Commutated Converter, LCC) U DC = 800kV P DC = MW Thyristor: 10 kv / 5000 A U DC = 3 ~ Netz 1 Filter Filter Netz 2 DC-Leitung (Freileitung Bild oder Kabel) HGÜ-System I DC HGÜ mit selbstgeführten Stromrichtern (Voltage Source Converter, VSC) U DC = 320kV P DC = MW IGBT: 5 kv / 2000 A

3 HGÜ mit netzgeführten Stromrichtern AC-Netz AC-Netz Symbol U dα Bild 3-4.3: Netzgeführter Stromrichter in 12-pulsiger Brückenschaltung Kernkomponente der netzgeführten HGÜ = netzgeführter Stromrichter in 12-pulsiger Brückenschaltung Bei U dα = 400 kv: 12 Thyristoreinheiten mit je ca. 20 in Reihe geschalteten Thyristoren. Reihenschaltung von Thyristoren unproblematisch. Hohe Blindleistungsaufnahme aus dem AC-Netz. Hohe Oberschwingungen im Netzstrom => große Netzfilter erforderlich. Energieflussrichtung legt Vorzeichen von U DC fest => Multiterminal-Betrieb nur eingeschränkt möglich. AC-Netz muss vorhanden sein => keine Schwarzstartfähigkeit

4 HGÜ mit netzgeführten Stromrichtern AC-Netz 1 AC-Netz 2 + DC - DC Bild 4-4.3: Typische HGÜ mit netzgeführten Stromrichtern

5 HGÜ mit netzgeführten Stromrichtern Bild 5-4.3: ± 800 kv (DC) - Stromrichterstation (Quelle: SIEMENS)

6 HGÜ mit selbstgeführten Stromrichtern Kernkomponente der selbstgeführten HGÜ = selbstgeführter Gleich- u. Wechselrichter in 2- oder 3-Level-Schaltung (gemäß 4.1.3) Wechselanteile in Netzströmen mit Vielfachen der Netzfrequenz und mit PWM-Frequenz und deren Vielfachen => sehr große Netzfilter erforderlich. Ventile werden mit PWM-Frequenz >> Netzfrequenz betrieben => hohe Umschaltverluste (auch wg. vieler Ventile). Reihenschaltung von IGBTs problematisch. Blindleistungsaufnahme aus dem AC-Netz in weiten Bereichen einstellbar. Energieflussrichtung unabhängig vom Vorzeichen von U DC => Multiterminal-Betrieb einfach möglich. AC-Netz muss nicht vorhanden sein => Schwarzstartfähigkeit. o.g. Nachteile => Modulare Multilever Converter (MMC) als Kernkomponente der selbstgeführten HGÜ

7 HGÜ mit selbstgeführten Stromrichtern Modul-Baustein () für Modularen Multilevel Converter (MMC) Schaltzustände (a) V 1o = EIN V 2u = EIN Schaltzustände (b) V o = EIN i m < 0 u m =+U M i cm < 0 C wird entladen (a) i cm V 1o = EIN V 2u = EIN V o = EIN i m > 0 u m =+U M i cm > 0 C wird geladen i m V 2o = EIN V 1u = EIN --- i m < 0 u m =-U M i cm > 0 C wird geladen u m V 2o = EIN V 1u = EIN V 1o = EIN V 2o = EIN V 1u = EIN V 2u = EIN --- i m > 0 u m =-U M i cm < i > m < = 0 u m = 0 i cm = 0 V u = EIN i > m < = 0 u m = 0 i cm = 0 C wird entladen C bleibt C bleibt (b) i cm (c) u m i m u i m m Bild (a) Vollbrücken-Modul, (b) Halbbrücken-Modul, (c) Symbol als Modul-Baustein () für Modularen Multilevel Converter (MMC)

8 HGÜ mit selbstgeführten Stromrichtern U DC /2 U DC /2 u mo1 u S i mo u mo2 i mo u mu2 i mu u mon u mu1 i mo i mu Brückenzweig des MMC u s = -U DC /2 + k U M mit U M = U DC /2n und k = 0, 1, 2,..., 2n => u s verläuft treppenförmig. Modulationsverfahren muss neben dem gewünschten sinusförmigen Verlauf von u s sicherstellen, dass die Spannung der Kondensatoren in den Modulbausteinen nur wenig um U M variiert. Kleines oder gar kein Netzfilter erforderlich, da nicht nur 2 oder 3, sondern 2n Spannungslevel einstellbar (Größenordnung: n = 20). Ventile werden nicht mit PWM- Frequenz, sondern nur mit ca. doppelter Netzfrequenz betrieben. Reihenschaltung von IGBTs entfällt. u mun i mu Bild Einer von drei Brückenzweigen des Modularen Multilevel Converter (MMC) mit 2n Modul-Bausteinen ()