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Title:
ARRANGEMENT, IN PARTICULAR CONVERTER SYSTEMS COUPLED VIA THEIR DC INTERMEDIATE CIRCUITS, FOR COMPENSATING VOLTAGE DROPS IN THE ASSOCIATED NETWORK FEEDS, AND SYSTEM COMPRISING SUCH AN ASSEMBLY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/007769
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an arrangement for compensating voltage drops in a power supply network, wherein the arrangement comprises at least one first converter system and a second converter system, the intermediate circuits thereof are coupled, and the first converter system is connected to a first distribution and the second converter system is connected to a second distribution.

Inventors:
ECKERT, Peter (Ginsterweg 5, Erlangen, 91058, DE)
REIMANN, Oliver (Kulmbacher Str. 5, Erlangen, 91056, DE)
Application Number:
EP2018/067210
Publication Date:
January 10, 2019
Filing Date:
June 27, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02J3/32; H02H9/00; H02J3/36
Domestic Patent References:
WO2008017014A22008-02-07
Foreign References:
US20160254665A12016-09-01
Other References:
RAKESHWRI PAL ET AL: "State of the Art: Dynamic Voltage Restorer for Power Quality Improvement", ELECTRICAL & COMPUTER ENGINEERING: AN INTERNATIONAL JOURNAL, vol. 4, no. 2, 30 June 2015 (2015-06-30), pages 79 - 98, XP055513941, DOI: 10.14810/ecij.2015.4208
PAL; GUPTA, ELECTRICAL & COMPUTER ENGINEERING: AN INTERNATIONAL JOURNAL (ECIJ, vol. 4, no. 2, 2 June 2015 (2015-06-02)
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Claims:
Anordnung (100) zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Anordnung (100) mindestens ein erstes Konvertersystem (301) und ein zweites Konvertersystem (302) umfasst, deren Zwischenkreise gekoppelt sind, wobei das erste Konverter¬ system (301) an eine erste Verteilung (801) und das zweite Konvertersystem (302) an eine zweite Verteilung (802) an¬ geschlossen ist.

Anordnung (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das erste

Konvertersystem (301) mit einer ersten Entkopplungsdros¬ sel (401) und einer ersten Spannungsmessung (501) an der ersten Verteilung (801) angeschlossen ist und das zweite Konvertersystem (302) mit einer zweiten Entkopplungsdros¬ sel (402) und einer zweiten Spannungsmessung (502) an der zweiten Verteilung (802).

Anordnung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das ers¬ te Konvertersystem (301) und das zweite Konvertersystem (302) jeweils als DC/AC-Konvertersystem ausgebildet sind.

Anordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Kopplung der Zwischenkreise Batteriesysteme (371, 372) umfasst.

Anordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die erste Verteilung (801) und die zweite Verteilung (802) jeweils als Mittelspannungs-Verteilung ausgebildet sind .

System umfassend eine Anordnung (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche und eine erste Netzeinspeisung (201) und eine zweite Netzeinspeisung (202),

wobei die erste Netzeinspeisung (201) über einen ersten Transformator (651) und einen ersten Schalter

(601) mit der ersten Verteilung (801) verbunden ist, und wobei die zweite Netzeinspeisung (202) über einen zweiten Transformator (652) und einen zweiten Schalter

(602) mit der zweiten Verteilung (802) verbunden ist.

System gemäß Anspruch 6, bei dem in einem ersten Zustand der erste Schalter (601) geschlossen und der zweite

Schalter (602) offen ist und in einem zweiten Zustand der erste Schalter (601) offen und der zweite Schalter (602) geschlossen ist, so dass eine der beiden Netzeinspeisun¬ gen (201; 202) elektrisch mit einer der Verteilungen (801; 802) verbunden ist.

System gemäß Anspruch 6, bei dem im Normalzustand der erste Schalter (601) und der zweite Schalter (602) ge¬ schlossen ist und in einem Ausfallzustand entweder der erste Schalter (601) geöffnet oder der zweite Schalter

(602) geöffnet ist, so dass eine der beiden Netzeinspei¬ sungen (201; 202) elektrisch mit einer der Verteilungen

(801; 802) verbunden ist.

System gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die erste Verteilung (801) elektrisch mit der zweiten Verteilung (802) über eine Kurzkupplung (850) verbunden ist.

System gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei vor dem Umschalter eines Schalters (601; 602) Messwerte der ers¬ ten Spannungsmessung (501) und/oder der zweiten Span¬ nungsmessung (502) zur Angleichung der Phase verwendet werden .

Description:
Beschreibung

ANORDNUNG, INSBESONDERE ÜBER IHRE DC-ZWISCHENKREISE GEKOPPELTE KONVERTERSYSTEME, ZUM AUSGLEICH VON SPANNUNGSEINBRÜCHEN AUF DEN ZUGEORDNETEN NETZEINSPEISUNGEN,

UND SYSTEM MIT SOLCH EINER ANORDNUNG

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleichen von

Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz und ein

System mit solch einer Anordnung .

10 Spannungseinbrüche in Netzversorgungssystemen treten meist

durch natürliche Ursachen mehr oder weniger regelmäßig auf.

Beispielsweise können dies Wetter-Situationen, ein Vogel ¬ schlag oder andere äußere Einflüsse sein. Diese Ereignisse

sind in der Regel kurzzeitig, typischerweise 50 ms bis einige

15 100 ms, und können zu Kurzunterbrechungen von typischerweise

bis zu 300 ms oder längeren Unterbrechungen bis zu 3 Minuten oder länger führen.

Die Tiefe des Spannungseinbruchs kann zwischen 20% und 100%

20 variieren, wobei der Spannungseinbruch einpolig oder mehrpo ¬ lig auftreten kann. Diese auch sehr kurzen Einbrüche in der

Spannungsversorgung führen häufig zu Störungen in Anlagen wie

Fertigungs- oder Prozesseinrichtungen. Beispielsweise kann

eine Robotersteuerung oder Ähnliches ausfallen, wodurch zum

25 Teil erhebliche finanzielle Schäden entstehen können.

Daehler, Eichler, Gaupp und Linhofer: ABB Technik 1/2001 ha ¬ ben auf die Notwendigkeit einer hohen Stromversorgungsquali ¬ tät für stabilere Fertigungsprozesse hingewiesen. Dabei ver-

30 weisen sie beispielsweise auf große, schnelle unterbrechungs ¬ freie Stromversorgungen (USV) , die aber typischerweise in

erster Linie bei einem vollständigen Stromausfall einsprin ¬ gen. Für kurzzeitige, oft nur in einer Phase auftretende Stö ¬ rungen, beschreiben sie bekannte Spannungs-Stabilisatoren wie

35 „Dynamic Voltage Restorer (DVR)". Diese Spannungs- Stabilisatoren können unverzögert temporäre Spannungseinbrü ¬ che ausgleichen. Zur kurzzeitigen Kompensation von Netzeinbrüchen können eben ¬ falls Energiespeicher mit Netzentkopplung, sogenannte „Line- Interactive UPS", verwendet werden, die auch minutenlange To- talausfälle der Netzspannung überbrücken können.

Pal und Gupta: Electrical & Computer Engineering: An Interna ¬ tional Journal (ECU) Vol. 4, No . 2, June 2015, beschreiben allgemein, wie mittels bekannter Spannungs-Stabilisatoren wie Dynamic Voltage Restorern Spannungseinbrüche kompensiert wer ¬ den können.

Die bekannten Dynamic Voltage Restorer Spannungs- Stabilisatoren sind in der Behandlung des Fehlertyps, der Dauer und in der Leistung eingeschränkt und können daher nur einen Anteil aller Fehler beherrschen. Wie groß dieser Anteil ist, hängt von den lokalen Gegebenheiten ab. Beispielsweise können Dynamic Voltage Restorer Spannungs-Stabilisatoren nur Spannungseinbrüche bis ca. 40% Restspannung kompensieren. Ei- ne Unterbrechung der Spannungsversorgung kann nicht kompen ¬ siert werden. Ebenso kann eine Wirkleistung nicht übertragen werden .

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein System zur Verfügung zu stellen, welches Spannungseinbrüche im Netz zuverlässig und kurzzeitig ausgleichen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversor- gungsnetz gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun ¬ gen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprü ¬ chen 2 bis 5 angegeben. Die Aufgabe wird ebenso erfindungsge ¬ mäß durch das System gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind in den Un- teransprüchen 7 bis 10 angegeben. Die Anordnung zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in ei ¬ nem Stromversorgungsnetz gemäß Anspruch 1 umfasst mindestens ein erstes Konvertersystem und ein zweites Konvertersystem, deren Zwischenkreise gekoppelt sind, wobei das erste

Konvertersystem an eine erste Verteilung und das zweite

Konvertersystem an eine zweite Verteilung angeschlossen ist.

Vorteilhaft hierbei ist, dass das Funktionsprinzip jedes ein ¬ zelnen Konvertersystems dem der Line-Interactive UPS ent- spricht, die eine empfindliche Last vor Störungen im Netz da ¬ durch schützt, dass sie das fehlerhafte Netz mit einer Dros ¬ sel abkoppelt und die Spannung an der kritischen Last

aufrechterhält. Ausgehend von der Annahme, dass ein Fehler nur auf einer der beiden Verteilungen auftritt, kann die Leistung von einem in das andere Speisesystem übertragen wer ¬ den. In diesem Fall ist kein zusätzlicher Energiespeicher im Zwischenkreis erforderlich. Im Gegensatz zu den auch mögli ¬ chen Dynamic Voltage Restorer Spannungs-Stabilisatoren, die nur bis zu 80% aller Fehlerfälle beherrschen, kann die erfin- dungsgemäße Anordnung ohne Energiespeicher ca. 90% aller Feh ¬ ler und mit Energiespeicher 100% aller Netzfehler abdecken.

In einer Ausführungsform ist das erste Konvertersystem mit einer ersten Entkopplungsdrossel und einer ersten Spannungs- messung an der ersten Verteilung angeschlossen und das zweite Konvertersystem mit einer zweiten Kopplungsdrossel und einer zweiten Spannungsmessung an der zweiten Verteilung.

In einer weiteren Ausgestaltung sind das erste

Konvertersystem und das zweite Konvertersystem jeweils als DC/AC-Konvertersystem ausgebildet .

In einer Ausgestaltung umfasst die Kopplung der Zwischenkrei ¬ se Batteriesysteme. Vorteilhaft hierbei ist, dass dadurch al- le Netzfehler und Spannungseinbrüche in der Haupteinspeisung mit einer Dauer von 10 ms bis zu einigen Minuten kompensiert werden können, wobei die Länge der Kompensation von der Bat- terieauslegung bzw. den verbauten Batteriekapazitäten ab ¬ hängt .

In einer weiteren Ausgestaltung sind die erste Verteilung und die zweite Verteilung jeweils als Mittelspannungs-Verteilung ausgebildet .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenso durch das System ge ¬ mäß Anspruch 6 gelöst, wobei das System eine erfindungsgemäße Anordnung und eine erste Netzeinspeisung und eine zweite

Netzeinspeisung umfasst, wobei die erste Netzeinspeisung über einen ersten Transformator und einen ersten Schalter mit der ersten Verteilung verbunden ist, und wobei die zweite Netz ¬ einspeisung über einen zweiten Transformator und einen zwei- ten Schalter mit der zweiten Verteilung verbunden ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist in einem ersten Zustand der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter offen und in einem zweiten Zustand der erste Schalter offen und der zweite Schalter geschlossen, so dass eine der beiden Netzein ¬ speisungen elektrisch mit einer der Verteilungen verbunden ist .

In einer alternativen Ausführung ist im Normalzustand der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen und in ei ¬ nem Ausfallzustand entweder der erste Schalter geöffnet oder der zweite Schalter geöffnet, so dass eine der beiden Netz ¬ einspeisungen elektrisch mit einer der Verteilungen verbunden ist .

In einer Ausführung ist die erste Verteilung elektrisch mit der zweiten Verteilung über eine Kurzkupplung verbunden.

In einer weiteren Ausgestaltung werden vor dem Umschalten ei- nes Schalters Messwerte der ersten Spannungsmessung und/oder der zweiten Spannungsmessung zur Angleichung der Phasen ver ¬ wendet . Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam ¬ menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei ¬ spiele, die in Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Figur 1 System aus erstem und zweitem Konvertersystem sowie erster und zweiter Netzeinspeisung;

Figur 2 System aus erstem und zweitem Konvertersystem sowie erster und zweiter Netzeinspeisung und Batteriesys ¬ teme in der Kopplung der Zwischenkreise des ersten und zweiten Konvertersystems;

Figur 3 Funktionsprinzip der einzelnen Konvertersysteme;

Figur 4 Inter-line Dynamic Voltage Restorer Spannungs- Stabilisator; und

Figur 5 prinzipieller Aufbau eines Dynamic Voltage Restorer

Spannungs-Stabilisators . In Figur 1 ist eine Anordnung 100 zum Ausgleichen von Span ¬ nungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz dargestellt. Die Anordnung 100 umfasst ein erstes Konvertersystem 301 und ein zweites Konvertersystem 302, deren Zwischenkreise gekop ¬ pelt sind. Das erste Konvertersystem 301 ist an eine erste Verteilung 801 angeschlossen und das zweite Konvertersystem 302 an eine zweite Verteilung 802. Die erste Verteilung 801 und die zweite Verteilung 802 können jeweils als Mittelspan- nungs-Verteilung ausgebildet sein.

Das erste Konvertersystem 301 ist zusammen mit einer ersten Entkopplungsdrossel 401 und einer ersten Spannungsmessung 501 an der ersten Verteilung 801 angeschlossen. Das zweite Konvertersystem 302 ist zusammen mit einer zweiten Entkopp ¬ lungsdrossel 402 und einer zweiten Spannungsmessung 502 an der zweiten Verteilung 802 angeschlossen. Das erste Konvertersystem 301 und das zweite Konvertersystem 302 können jeweils als DC/AC-Konvertersystem ausgebildet sein. Beispielsweise können diese beiden Konvertersysteme 301, 302 basierend auf der Siestorage S800 Anlage der Siemens AG sein.

In Figur 1 ist weiter eine erste Netzeinspeisung 201 und eine zweite Netzeinspeisung 202 dargestellt. Die erste Netzein ¬ speisung 201 ist über einen ersten Transformator 651 und ei ¬ nen ersten Schalter 601 mit der ersten Verteilung 801 verbun- den. Somit wird über die erste Netzeinspeisung 201 und den ersten Transformator 651 sowie über den ersten Schalter 601 auf die erste Entkopplungsdrossel 401 und die erste Span ¬ nungsmessung 501 auf die erste Verteilung 801 eingespeist. Das erste Konvertersystem 301 ist über einen ersten Konver ¬ ter-Transformator 361 und einen ersten Konverter-Schalter 351 zwischen der ersten Spannungsmessung 501 und der ersten Ver ¬ teilung 801 angeordnet. Mittels des ersten Konverter- Schalters 351 kann der erste Konverter 301 beispielsweise für Wartungszwecke abgekoppelt werden. Im normalen Betriebszu ¬ stand ist der erste Konverter-Schalter 351 geschlossen. Der erste Konverter-Transformator 361 und der erste Konverter- Schalter 351 dienen als erste Anbindung des ersten Konverters 301.

Der Einkopplungspfad über die zweite Netzeinspeisung 202 ist analog zum Einkopplungspfad der ersten Netzeinspeisung 201. Dies bedeutet, dass ausgehend von der zweiten Netzeinspeisung 202 über den zweiten Transformator 652 und über den zweiten Schalter 602 die zweite Entkopplungsdrossel 402 und die zwei ¬ te Spannungsmessung 502 an der zweiten Verteilung 802 ange ¬ schlossen sind. Zwischen der zweiten Spannungsmessung 502 und der zweiten Verteilung 802 ist das zweite Konvertersystem 302 über einen zweiten Konverter-Transformator 362 und einen zweiten Konverter-Schalter 352 angeschlossen. Der zweite Kon ¬ verter-Transformator 362 und der zweite Konverter-Schalter 352 dienen als zweite Anbindung des zweiten Konverters 302.

In Figur 2 ist die in der Figur 1 dargestellte erfindungsge ¬ mäße Anordnung 100 zum Ausgleichen von Spannungseinbrüchen in einem Stromversorgungsnetz dargestellt, wobei die Kopplung der Zwischenkreise von erstem Konvertersystem 301 und zweitem Konvertersystem 302 Batteriesysteme 371, 372 umfassen. Diese Batteriesysteme ermöglichen es, dass alle Netzfehler und Spannungseinbrüche in der ersten Netzeinspeisung 201 oder der zweiten Netzeinspeisung 202 kompensiert werden können, wobei die Anzahl der Zyklen von den verbauten Batterien 371, 372 bzw. deren Kapazität abhängt.

Figur 3 zeigt das Funktionsprinzip der einzelnen Konverter ¬ systeme 301, 302. Dies ist anhand des ersten Konvertersystems 301 dargestellt, bei dem ausgehend von einer ersten Netzein ¬ speisung 201 über einen ersten Transformator 651 und entspre ¬ chende Leitungswiderstände 666 eine erste Entkopplungsdrossel 401 angeordnet ist, wobei abgangsseitig der ersten Entkopp ¬ lungsdrossel 401 die erste Verteilung 801 mit ihrer kriti- sehen Last und zusätzlich der erste Konverter-Transformator 361 mit angegliedertem ersten Konverter 301 angeordnet sind.

Der zweite Pfad über die zweite Netzeinspeisung 202 ist ana ¬ log zur Darstellung der Figur 3. Das erste Konvertersystem 301 und das zweite Konvertersystem 302 sind in ihren Zwi ¬ schenkreisen gekoppelt.

In den Figuren 4 und 5 sind herkömmliche Lösungen mittels ei ¬ nes Dynamic Voltage Restorer Spannungs-Stabilisators darge- stellt. Figur 4 zeigt solch einen Dynamic Voltage Restorer, wobei bei diesem die beiden Leitungspfade über einen Konden ¬ sator gekoppelt sind. Dadurch kann solch ein Dynamic Voltage Restorer Spannungs-Stabilisator nur Spannungseinbrüche bis ca. 30% Restspannung kompensieren. Bei einer Unterbrechung der Netzspannung kann der Dynamic Voltage Restorer Spannungs- Stabilisator nicht die Spannung aufrechterhalten.

In Figur 5 ist ebenfalls ein Dynamic Voltage Restorer Span ¬ nungs-Stabilisator dargestellt, wobei ausgehend von einer Übertragung vom Netz A zur Last B die im Kondensator gespei ¬ cherte Energie der Aufrechterhaltung der Spannung im Falle eines Spannungseinbruchs dient.

Entsprechend der Figuren 1 und 2 kann die erste Verteilung 801 elektrisch mit der zweiten Verteilung 802 über eine Kurz ¬ kupplung 850 verbunden sein.

In einem ersten Zustand kann der erste Schalter 601 geschlos ¬ sen und der zweite Schalter 602 offen sein. In einem zweiten Zustand kann der erste Schalter 601 offen und der zweite Schalter 602 geschlossen sein. Bei so einer Konfiguration mit erstem Zustand und zweitem Zustand wird sichergestellt, dass eine der beiden Netzeinspeisungen 201, 202 elektrisch mit ei ¬ ner der Verteilungen 801, 802 verbunden ist.

Ebenso ist denkbar, dass in einem Normalzustand der erste Schalter 601 und der zweite Schalter 602 jeweils geschlossen sind und in einem Ausfallzustand entweder der erste Schalter 601 oder der zweite Schalter 602 geöffnet wird. Es wird der Netzpfad, in dem der Ausfall vorliegt, durch Öffnen des Schalters getrennt, so dass eine der beiden Netzeinspeisungen 201, 202 elektrisch mit einer der Verteilungen 801, 802 ver ¬ bunden ist.

Vor dem Umschalten eines Schalters 601, 602 können die Mess ¬ werte der ersten Spannungsmessung 501 bzw. der zweiten Span- nungsmessung 502 verwendet werden zur Angleichung der Phase zwischen erster Netzeinspeisung 201 bzw. zweite Netzeinspei- sung 202 und der ersten Verteilung 801 bzw. der zweiten Ver ¬ teilung 802.

Das erfindungsgemäße System besteht aus zwei DC/AC-Konverter- Systemen 301, 302, die zusammen mit jeweils einer Entkopp ¬ lungsdrossel 401, 402 an je einer MS-Verteilung 801, 802 an ¬ geschlossen sind und deren Zwischenkreise gekoppelt sind. Das Funktionsprinzip jedes einzelnen Konvertersystems 301, 302 entspricht dem der Line-Interactive UPS (Energiespeicher mit Netzeinkopplung) , die eine empfindliche Last vor Störungen im Netz dadurch schützt, dass sie fehlerhafte Netze mit einer Entkopplungsdrossel 401, 402 abkoppelt und die Spannung an der kritischen Last aufrecht erhält. Es werden zwei Line-Interactive UPS (Energiespeicher mit Netzeinkopplung) Systeme Back-to-Back an zwei

Einspeiseleitungen 801, 802 angeschlossen. Ausgehend von der Annahme, dass ein Fehler nur auf einer der beiden Netzein ¬ speisungen 201, 202 auftritt, kann die Leistung von einem in das andere Speisesystem übertragen werden. Tritt der Fehler im übergeordneten Einspeisen der Spannung, also in der ersten Netzeinspeisung 201 oder zweiten Netzeinspeisung 202 gleich ¬ zeitig auf, kann das System auf beiden Netzeinspeisungen die Spannung stützen entsprechend der Konfiguration dargestellt in Figur 2. In diesem Fall ist ein zusätzlicher Energiespei ¬ cher in Form eines Batteriesystems 371, 372 notwendig. Allen Ausführungsformen ist gemein, dass netzseitig zur Begrenzung des Kurzschlußstroms eine Entkopplungsdrossel 401, 402 und eine Spannungsmessung vorgesehen sind.