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*
V Inhaltsverzeichnis Abstract X 1 Einleitung 1 1.1 Einsatz selbstgeführter Pulswechselrichter mit Gleichspannungskreis in der Energiewirtschaft 2 1.2 Zielstellung der vorliegenden Arbeit 4 1.3 Aufbau und inhaltliche Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit 4 2 Pulswechselrichteranlagen mit Gleichspannungskreis 7 2.1 Systematische Einordnung der Pulswechselrichter mit Gleichspannungskreis in die Stromrichtertechnik 8 2.1.1 Kriterien für die Systematisierung 8 2.1.2 Systematisierung der Stromrichter hinsichtlich der Schalteigenschaften der Bauelemente 8 2.1.3 Systematisierung der Stromrichter nach den Strömen und Spannungen an den Eingangs- und Ausgangsklemmen 9 2.1.4 Einordnung 10 2.2 Funktionsprinzip von Pulswechselrichtern mit eingeprägter Gleichspannung 11 2.2.1 Allgemeiner Aufbau der Pulswechselrichter und vereinfachtes Ersatzschaltbild 11 2.2.2 Schaltzustände und Energieflussrichtung 12 2.2.3 Aktive und passive Schaltvorgänge 13 2.2.4 Kommutierungsvorgänge 14 2.2.5 Hartes und Weiches Schalten 17
2.2.6 Prinzipielles Ersatzschaltbild des Kommurierungskreises 18 2.2.7 Pulsweitenmodulation 20 2.3 Aufbau von Pulswechselrichter-Anlagen mit Gleichspannungskreis...32 2.3.1 Kriterien für die Schaltungsauswahl 32 2.3.2 Allgemeiner Aufbau einer PWR-Anlage 34 2.3.3 Topologien von Pulswechselrichter-Stationen 35 Berechnung der Ströme und Spannungen 55 3.1 Ersatzschaltbild von Pulswechselrichteranlagen 56 3.2 Verfahren zur einheitlichen und systematischen Beschreibung von Pulswechselrichteranlagen 58 3.3 Netzwerkanalyse nach der Methodik der Tensorrechnung 61 3.3.1 Theorie der Transformationen 61 3.3.2 Reduktion eines Systems auf unabhängige Ströme mittels linearer Transformationen 66 3.3.3 Komponentensysteme 71 3.4 Analyse der Spannungspulswechselrichter-Schaltungen 80 3.4.1 Allgemeine Vorgehensweise 80 3.4.2 Analyse einer Dreipunktschaltung 82 3.5 Analyse der Transformator- und Drosselschaltungen 94 3.5.1 Der Impedanztensor von Mehrwicklungstransformatoren und Drosselspulen mit magnetischer Kopplung 94 3.5.2 Analytische Beschreibung eines Transformators mit der Schaltgruppe YNy0d5 100 3.6 Differentialgleichungssystem zur Berechnung der Ströme und Spannungen 107
VII 3.7 Verfahren zur Lösung des Differentialgleichungssystems 108 3.8 Berechnung der Ströme und Spannungen im eingeschwungenen Zustand unter vereinfachenden Annahmen 109 3.8.1 Einflussgrößen der Stromrichterströme 109 3.8.2 Annahmen 116 3.9 Wahl des Komponentensystems 118 3.10 Lösen des Differentialgleichungssystems 118 3.10.1 Bestimmen der Allgemeinen Lösung 118 3.10.2 Bestimmen der partikulären Lösung 120 3.10.3 Berechnen der Anfangsbedingung 123 3.11 Berechnung der Ströme eines Dreipunktpulswechselrichters 124 3.11.1 Flussberechnung der Stromrichterspannung 126 3.11.2 Flussberechnung der Netzspannung 129 3.11.3 Berechnung des Stromverlaufs 129 Netzfrequente Wirk- und Blindleistung 133 4.1 Bedeutung analytischer Beziehungen für die netzfrequente Wirkund Blindleistung 134 4.2 Ersatzschaltbild für die Grundschwingung 134 4.3 Grundschwingungs-Scheinleistung 137 4.3.1 Scheinleistung am Netzanschlusspunkt 137 4.3.2 Scheinleistung an den Stromrichterklemmen 141 4.3.3 Berechnung der Parameter eines Betriebspunktes 144 4.3.4 Der Design-Punkt der Pulswechselrichteranlage 146 4.3.5 UI-Diagramme für den Blindstrom 149
VIII 4.3.6 Darstellung möglicher Betriebspunkte im UI-Diagramm unter Berücksichtigung der Kennlinie des Drehstromnetzes 153 4.4 Giundschwingungswirkstrom und Gleichstrom am Stromrichter 157 5 Auslegungs- und Bemessungskriterien 159 5.1 Schaltungsauswahl und Bemessung 160 5.2 Maximal erreichbare Leistung am Netzanschlusspunkt 160 5.3 Berechnung der maximal erreichbaren Leistung einer Pulswechselrichteranlage am Netzanschlusspunkt 161 5.3.1 Vorgaben 161 5.3.2 Optimierungsaufgabe 162 5.3.3 Zielfunktion für die Optimierung des Blindleistungsaustausches 162 5.3.4 Lösung der Optimierungsaufgabe 164 5.3.5 Beispiel einer einfachen Optimierungsaufgabe 165 5.4 Anwendung der Optimierungsrechnungen 169 5.5 Weitere anlagenspezifische Auslegungs- und Bemessungskriterien... 172 6 Dynamische Kompensation des Blindleistungsbedarfs eines Windparks 175 6.1 Das Projekt STATCOM für den Windpark Rejsby Hede 176 6.1.1 Allgemeines 176 6.1.2 Technischer Hintergrund des Projekts 176 6.2 Anlagenkonzept für den STATCOM 179 6.3 Mathematische Beschreibung der STATCOM-Anlage 183
IX 6.3.1 Elemente des Basissystems 183 6.3.2 lineare Transformation zur Reduktion des Systems auf die unabhängigen Ströme 192 6.4 Lösung des Differentialgleichungssystems 198 6.4.1 Allgemeine Lösung 199 6.4.2 Spezielle Lösung 200 6.4.3 Zeitverläufe der Ströme 207 6.4.4 Das charakteristische Spektrum der PWR-Anlage 214 6.4.5 Fesdegung des Pulsmusters 218 6.4.6 Grundschwingungsgrößen 220 6.5 Design-Punkt und Betriebsbereich der STATCOM-Anlage 221 6.5.1 Berechnung des Lastflusses der Grundschwingung im Windparknetz 221 6.5.2 Charakteristische Betriebspunkte und UI-Diagramm 222 6.6 Wesentliche Erkenntnisse aus dem Projekt 224 7 Zusammenfassung 227 7.1 Inhaltliche Ausrichtung der Arbeit 228 7.2 Herleitung eines allgemeingültigen Ersatzschaltbilds 228 7.3 Verfahren für die Berechnung der Ströme und Spannungen 233 7.4 Bedeutung analytischer Beziehungen für die Zeitverläufe der Ströme und Spannungen bei der Bemessung von PWR-Anlagen 234 Literaturverzeichnis 237