Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz mit einer ersten Modulreihenschaltung zweipoliger Schaltmodule .

In einem Wechselspannungsnetz, insbesondere einem verzweigten oder einem vermaschten Wechselspannungsnetz, ist es oft er forderlich den Lastfluss derart einzustellen, dass sich ein im Wechselspannungsnetz fließender Betriebsstrom möglichst gleichmäßig auf parallele Leitungen des Wechselspannungsnet zes verteilt. Dies ist insbesondere durch die quadratische Abhängigkeit der ohmschen Verluste vom Strom begründet, wo durch auch der Wirkungsgrad der Energieübertragung maßgeblich beeinflusst ist. Zudem müssen in Wechselspannungsnetzen die Blindleistungserzeugung und der Blindleistungsverbruch kon trolliert werden. Im Rahmen der steigenden zu übertragenden Energiemengen aufgrund der verstärkten Nutzung regenerativer Energiequellen bekommt die optimale Auslastung der vorhande nen Wechselspannungsnetze eine deutlich gewachsene Bedeutung.

Vorrichtungen zum Steuern des Lastflusses sind insbesondere als Blindleistungskompensationsanlagen aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden bei der sogenannten Fixed Series Compensation (FSC) seriell in eine Wechselspan nungsleitung des Wechselspannungsnetzes eigefügte Kondensato ren verwendet.

Ferner sind statische Blindleistungskompensatoren bekannt, die parallel zur Wechselspannungsleitung angeordnete Umrich ter umfassen. Beispielsweise zeigt die Druckschrift WO

2013/087110 Al einen Umrichter mit drei Phasenzweigen, die in einer Dreiecksschaltung miteinander verbunden sind. Jeder Phasenzweig weist einen Anschlusspunkt zum Anschluss an eine ihm zugeordnete Phasenleitung eines dreiphasigen Wechselspan nungsnetzes auf. Dabei sind die Phasenzweige jeweils über Koppelinduktivitäten mit den zugeordneten Phasenleitungen des Wechselspannungsnetzes verbunden. Jeder Phasenzweig weist ein Phasenmodul mit einer Reihenschaltung von zweipoligen Schalt modulen auf, wobei die Schaltmodule als sogenannte Vollbrü ckenmodulschaltungen ausgebildet sind. Jedes Schaltmodul um fasst demnach zwei zueinander parallel geschaltete Reihen schaltungen von Halbleiterschalteinheiten, wobei jede Halb- leiterschalteinheit einen ein- und abschaltbaren Halbleiter schalter sowie eine dazu antiparallele Freilaufdiode umfasst. Ferner weist jedes Schaltmodul einen zu den beiden Reihen schaltungen parallel geschalteten Energiespeicher in Form ei nes Kondensators auf. Jedes Schaltmodul kann derart ange steuert werden, dass an dessen Polen eine Spannung abfällt, die entweder einer Energiespeicherspannung, also der Spannung des Kondensators, der Energiespeicherspannung jedoch mit um gekehrter Polarität oder einer Nullspannung, also einer Span nung mit dem Wert null, entspricht. Damit kann mittels geeig neter Ansteuerung der Schaltmodule eine stufenförmige Wech selspannung an den Phasenmodulen des Umrichters erzeugt wer den. Die einzelne Stufenhöhe entspricht dabei der Energie speicherspannung. Ferner umfasst der bekannte Umrichter eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Ströme in den Phasen zweigen des Umrichters, so dass eine gewünschte induktive Blindleistung im Wechselspannungsnetz bereitgestellt werden kann .

Eine artgemäße Vorrichtung ist aus der WO 2017/101963 Al be kannt. Die bekannte Vorrichtung umfasst je eine Modulreihen schaltung in jeder Phasenleitung des Wechselspannungsnetzes. Die Schaltmodule der Modulreihenschaltungen sind derart ansteuerbar, dass eine periodische Längsspannung im Wechsels pannungsnetz erzeugbar ist. Mittels der bekannten Vorrichtung ist eine relativ schnelle und im Wesentlichen kontinuierlich einstellbare Längsspannung im Wechselspannungsnetz erzeugbar. Im Vergleich zu einer Parallelkompensation müssen seriell le- diglich relativ kleine Spannungen in das Wechselspannungsnetz eingespeist werden, um den Lastfluss effektiv zu beeinflus sen. Unter einer Längsspannung wird dabei eine Spannung ver standen, die entlang einer Stromleitung oder entlang eines Abschnitts einer Stromleitung anliegt, beispielsweise zwi schen zwei Anschlüssen der Modulreihenschaltung. Die Modul reihenschaltung ist dabei zweipolig ausgebildet, so dass der gesamte in der Phasenleitung fließende Phasenstrom auch über die jeweilige Modulreihenschaltung fließt. Mittels der be kannten Vorrichtung kann eine Längsspannung einer vorbestimm ten Frequenz und Phase erzeugt werden. Dabei wird die Energie aus dem Wechselspannungsnetz in den Energiespeichern der Schaltmodule zwischengespeichert. Daher kann die Vorrichtung zunächst Blindleistung in das Wechselspannungsnetz einspei sen, wobei eine kurzfristige Wirkleistungseinspeisung eben falls möglich ist. Zur Erzeugung der periodischen Längsspan nung steuert eine Steuereinrichtung die Schaltmodule bzw. die Leistungshalbleiter der Schaltmodule beispielsweise in der Weise an, dass in einer vorgegebenen zeitlichen Reihenfolge eine Polarität der Schaltmodulspannung wechselt. Da alle Halbleiterschalter aller Schaltmodule prinzipiell unabhängig voneinander schaltbar sind, kann somit eine Längsspannung be liebiger Phase und Frequenz erzeugt werden. Die zur wirksamen Beeinflussung des Lastflusses einzuprägende Längsspannung ist relativ gering, verglichen mit einer Querspannung, die mit tels parallel angeschlossener Anlagen eingespeist werden muss. Beispielsweise können Längsspannungen von 1 kV bis 50 kV bei einer Übertragungsspannung von über 100 kV im Wech selspannungsnetz bereits ausreichend sein. Eine Wirkleis tungseinspeisung über eine längere Zeit kann mittels der be kannten Vorrichtung allerdings nur erreicht werden, wenn eine Energieübertragung zwischen den Modulreihenschaltungen in un terschiedlichen Phasenleitungen ermöglicht wird. Daher um fasst die bekannte Vorrichtung eine Energieaustauschvorrich tung zum Austausch elektrischer Energie zwischen den Modul reihenschaltungen. Die bekannte Energieaustauschvorrichtung ist jedoch relativ aufwändig und kostenintensiv. Zudem muss der Leistungsfluss im Wechselspannungsnetz bei jedem Zuschal ten der Vorrichtung unterbrochen werden, da der gesamte Strom über die jeweilige Modulreihenschaltung fließt.

Eine weitere Vorrichtung zur Lastflussregelung ist aus dem Beitrag „Transformer-Less Unified Power-Flow Controller Using the Cascade Multilevel Inverter von Fang Zheng Peng et al . bekannt. Dort ist ein parallel geschalteter Static

Compensator (STATCOM) mit einem Static Synchronous Series Compensator (SSSC) kombiniert. Werden die Schaltmodule des SSSC nicht von einer separaten Energiequelle gespeist, so können die Energiespeicherspannungen der einzelnen Schaltmo dule nur dann balanciert, also in ihrem zulässigen Betriebs bereich gehalten werden, wenn ein Netzstrom fließt. Zudem ist auch bei dieser bekannten Lösung das Zuschalten problema tisch, weil in einem solchen Fall die Anlaufzeit der Elektro nik eine Unterbrechung des Lastflusses bedingt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine artgemäße Vorrichtung vorzuschlagen, die möglichst kostengünstig und zuverlässig ist .

Die Aufgabe wird bei einer artgemäßen Vorrichtung erfindungs gemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung ferner eine zweite Modulreihenschaltung zweipoliger Schaltmodule umfasst, wobei die beiden Modulreihenschaltungen in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind, die seriell in eine Phasenleitung des Wechselspannungsnetzes einfügbar ist, wobei wenigstens ein Schaltmodul jeder Modulreihenschaltung einen Energiespei cher sowie ein- und abschaltbare Halbleiterschalter aufweist, die derart ansteuerbar sind, dass an Klemmen des Schaltmoduls eine Schaltmodulspannung erzeugbar ist, die einer positiven oder negativen Energiespeicherspannung oder einer Nullspan nung entspricht, und wobei die Vorrichtung ferner eine Rege lungseinrichtung zum Ansteuern der Schaltmodule umfasst, die zum Erzeugen eines Ausgleichstroms zwischen den Modulreihen schaltungen eingerichtet ist. Demnach umfasst die Vorrichtung zumindest zwei Modulreihenschaltungen, die parallel zueinan der geschaltet und die Parallelschaltung in eine Phasenlei tung als Längsspannungsquelle seriell schaltbar ist. Die An zahl der Schaltmodule in den Modulreihenschaltungen kann in Abhängigkeit von deren Nennstrom und dem Nennstrom des Wech selspannungsnetzes bestimmt werden. Dem Aufbau der Modulrei henschaltungen nach ist diese grundsätzlich beliebig wählbar und kann an die jeweilige Anwendung angepasst sein.

Durch die Parallelschaltung der Modulreihenschaltungen kann vorteilhaft der Ausgleichstrom zwischen den Schaltmodulen der beiden Modulreihenschaltungen getrieben werden. Der Aus gleichstrom fließt in der durch die Modulreihenschaltungen gebildeten Masche und insbesondere nicht ins übrige Wechsels pannungsnetz hinein, beeinträchtigt dieses daher nicht. Der Ausgleichstrom erlaubt vorteilhaft eine Balancierung der Schaltmodule bzw. deren Energiespeicher, auch dann, wenn kein Strom im angeschlossenen Wechselspannungsnetz fließt. Dadurch ist auf kostengünstige Weise eine zuverlässige Lastflusssteu- erung im Wechselspannungsnetz möglich. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass auf einen kostenintensiven Serientransformator verzichtet werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vor richtung ferner eine steuerbare Schutzeinrichtung, mittels der die Modulreihenschaltungen überbrückbar sind. Die Schutz einrichtung sorgt vorteilhaft bei Anlauf der Vorrichtung für ein zeitweises Zuschalten der Schaltmodule bis diese be triebsbereit sind und schützt die Vorrichtung ferner vorteil haft bei einem Netzkurzschluss.

Bevorzugt umfasst die Schutzeinrichtung eine Doppelthyristor- schaltung. Mit dieser Ausgestaltung ist auf einfache Weise eine steuerbare, bidirektionale Überbrückung bereitgestellt. Die Doppelthyristorschaltung umfasst dabei zweckmäßigerweise antiparallel geschaltete Thyristoren. Die Thyristoren können mittels einer Ansteuerung angesteuert werden, zu leiten. Vorzugsweise umfasst die Schutzeinrichtung ferner eine Netz drossel. Die Netzdrossel begrenzt vorteilhaft den Stroman stieg beim Zuschalten der Vorrichtung.

Geeigneterweise umfasst die Vorrichtung ferner einen mechani schen Überbrückungsschalter, der zum Überbrücken der Paral lelschaltung der Modulreihenschaltungen eingerichtet ist. Mittels des Überbrückungsschalters kann ein relativ

niederohmiger Überbrückungspfad bereitgestellt werden, wenn die Vorrichtung beispielsweise zeitweilig vom Netz genommen werden soll.

Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner einen

Serienkompensatorschalter, der in einer Reihenschaltung zu der Parallelschaltung der Modulreihenschaltungen angeordnet ist. Der Serienkompensatorschalter ist dazu eingerichtet, den Strom durch die Modulreihenschaltungen zu unterbrechen. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn die Schutz einrichtung die Modulreihenschaltungen überbrückt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Parallelschaltung von Modulreihenschal tungen für jede Phasenleitung des Wechselspannungsnetzes. Bei einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz umfasst die Vorrich tung demnach drei Parallelschaltungen von jeweils mindestens zwei Modulreihenschaltungen. Eine der Parallelschaltungen ist in jede der Phasenleitungen einfügbar. Alle Modulreihenschal tungen können dabei, müssen jedoch nicht, gleichartig aufge baut sein. Damit ist die Vorrichtung zum Steuern des Last flusses in dem mehrphasigen Wechselspannungsnetz eingerich tet .

Es kann von Vorteil sein, wenn die Schaltmodule als Vollbrü ckenmodulschaltungen ausgebildet sind. Eine Vollbrückenmodul schaltung ist beispielsweise in der WO 2013/087110 Al be schrieben . Es ist ebenfalls möglich, die Schaltmodule als zwei entgegen gesetzt gerichtete Halbbrückenmodulschaltungen auszubilden. Eine Halbbrückenmodulschaltung ist beispielsweise aus der DE 10 103 031 B4 bekannt.

Es ist jedoch ebenfalls selbstverständlich denkbar, wenn die erste oder jede Modulreihenschaltung weitere zweipolige Ele mente aufweist, die unter Ausbildung einer Reihenschaltung gemeinsam mit den Submodulen in die Phasenleitung bzw. die Abgangsleitungen geschaltet sind.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Regelungs einrichtung zum Erzeugen des Ausgleichstromes eingerichtet, der ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom mit einer Stromfre quenz ist, die einem Vielfachen einer Netzfrequenz des Wech selspannungsnetzes entspricht.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung ei nes Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein solches Verfah ren anzugeben, das möglichst einfach durchzuführen und zuver lässig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Steuern eines Lastflusses in einem Wechselspannungsnetz mit tels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei dem zum Balancieren der Energiespeicherspannungen ein Ausgleichstrom zwischen den Modulreihenschaltungen erzeugt wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denjenigen, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsge mäßen Vorrichtung erläutert wurden.

Vorzugsweise ist der Ausgleichstrom ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom, der eine Stromfrequenz aufweist, die einem Vielfachen einer Netzfrequenz des Wechselspannungsnetzes ent spricht .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei spielen der Figuren 1 bis 3 weiter erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;

Figur 2 zeigt eine Parallelschaltung von Modulreihenschaltun gen der Vorrichtung der Figur 1 in einer schematischen Dar stellung;

Figur 3 zeigt ein Schaltmodul für die Vorrichtung der Figuren 1 und 2 in einer schematischen Darstellung.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Steuern eines Lastflus ses in einem Wechselspannungsnetz 2 dargestellt. Das Wech selspannungsnetz 2 umfasst dabei zwei Teilnetze 2a und 2b, die mittels der Vorrichtung 1 miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung 1 in das dreiphasige Wech selspannungsnetz 2 seriell einfügbar.

Die Vorrichtung 1 umfasst drei Parallelschaltungen 3A, 3B und 3C, die jeweils einer Phasenleitung des dreiphasigen Wech selspannungsnetzes 2 zugeordnet sind. Auf den Aufbau der Pa rallelschaltungen 3A-C wird in der nachfolgenden Figur 2 nä her eingegangen.

Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Regelungseinrichtung 4, die dazu eingerichtet ist, eine Regelung der Vorrichtung 1 und eine Ansteuerung aller Schalter der Vorrichtung 1 durch zuführen. Dabei empfängt die Regelungseinrichtung 4 einen Satz S von Sollwerten von einer übergeordneten Steuerstelle. Die Regelungseinrichtung 4 ist mit einer Vielzahl von Span nungsmessvorrichtungen 5, 6 bzw. Strommessvorrichtungen 7, 8 verbunden. Die Spannungs- und Strommessgeräte 5-8 messen Spannung bzw. Strom in den beiden Teilnetzen 2a-b und leiten die entsprechenden Messwerte an die Regelungseinrichtung 4 zur Durchführung der Regelung der Vorrichtung 1. Die Rege lungseinrichtung empfängt ferner Strom- und Spannungswerte von Schaltmodulen (vgl. Figuren 2 und 3), die zur

Balancierung von Energiespeichern der Schaltmodule verwendet werden. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Parallelschaltungen 3A-C gleichartig aufgebaut.

Figur 2 zeigt die Parallelschaltung 3A der Vorrichtung 1 der Figur 1. Die Parallelschaltung 3A umfasst eine erste Modul reihenschaltung 9 und eine zweite Modulreihenschaltung 10, die parallel zueinander angeordnet sind. Die erste Modulrei henschaltung 9 und die zweite Modulreihenschaltung 10 sind im dargestellten Beispiel gleichartig aufgebaut. Die erste Mo dulreihenschaltung 9 umfasst eine Reihenschaltung zweipoliger Schaltmodule 11, die im dargestellten Beispiel gleichartig in Form je einer Vollbrückenmodulschaltung (vgl. Figur 3) aufge baut sind. Die Anzahl der Schaltmodule 11 in jeder der Modul reihenschaltungen 9, 10 ist grundsätzlich beliebig, was in Figur 2 durch je eine gepunktete Linie 12 angedeutet ist. Beide Modulreihenschaltungen 9, 10 umfassen ferner eine Glät tungsdrossel 13 und einen Strommesser 14 zum Messen eines Mo dulstromes durch die jeweilige Modulreihenschaltung 9 bzw.

10. Auf den Aufbau der Schaltmodule 11 wird in der nachfol genden Figur 3 näher eingegangen. An der ersten Modulreihen schaltung 9 ist mittels der Regelungseinrichtung 4 eine

Längsspannung Uconvl erzeugbar, die eine nahezu beliebige Form aufweist. Beispielsweise kann eine Wechselspannung mit der Netzfrequenz des Wechselspannungsnetzes 2 und einer vor bestimmten Phase erzeugt werden. Entsprechend kann auch an der zweiten Modulreihenschaltung eine ebenfalls nahezu belie bige Modulspannung Uconv2 erzeugt werden. Mittels einer ge eigneten Ansteuerung der Schaltmodule 11 der beiden Modulrei henschaltungen 9, 10 kann zudem ein Ausgleichstrom zwischen den Modulreihenschaltungen 9, 10 erzeugt werden. Der Aus gleichstrom fließt als Kreisstrom in der durch die Modulrei- henschaltungen 9 und 10 gebildeten Masche und beeinträchtigt den Stromfluss im Wechselspannungsnetz 2 somit nicht. Der Ausgleichsstrom kann zur Auf- bzw. Entladung der Energiespei cher der Schaltmodule 11 genutzt werden. Auf diese Weise kann eine Balancierung der Energiespeicher erreicht werden.

Zudem sind ein mechanischer Überbrückungsschalter 15, ein me chanischer Serienkompensatorschalter 16 sowie eine Schutzein richtung 17 vorgesehen, auf deren Funktion im Folgenden ein gegangen werden soll. Die Schutzeinrichtung 17 umfasst dabei eine Doppelthyristorschaltung 18, die zwei antiparallel ge schaltete Thyristoren 19, 20 umfasst. In Reihe zur Doppelthy ristorschaltung 18 ist eine Netzdrossel 21 angeordnet.

Der Anlauf der Vorrichtung 1 kann folgendermaßen beschrieben werden: Die Thyristoren 19, 20 der Doppelthyristorschaltung 18 werden gezündet. Der Serienkompensatorschalter 16 wird ge schlossen. Der Überbrückungsschalter 15 wird geöffnet. Da nach, für jede Periode der Netzspannung, wird die Doppelthy ristorschaltung kurzzeitig gezündet bis die Schaltmodule 11 ein Betriebsbereitschaftssignal an die Regelungseinrichtung 4 senden. Danach werden die Schaltmodule 11 im Normalbetrieb aktiv angesteuert, wobei die Thyristoren 19, 20 blockieren.

Figur 3 zeigt den Aufbau eines der Schaltmodule 11 der erfin dungsgemäßen Vorrichtung 1 der Figuren 1 und 2. Alle Schalt module 11 der Figur 2 sind hierzu gleichartig ausgebildet, was jedoch im Allgemeinen nicht der Fall sein muss. Das

Schaltmodul 11 ist als Vollbrückenmodulschaltung ausgebildet. Das Schaltmodul 11 weist dabei einen ersten Halbleiterschal ter 31 sowie einen zweiten Halbleiterschalter 32, beide in Form von IGBTs. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiter schalter 31 und 32 ist gleichgerichtet. Ferner umfasst die Das Schaltmodul 11 einen dritten Halbleiterschalter 33 sowie einen vierten Halbleiterschalter 34, beide ebenfalls in Form von IGBTs. Die IGBTs können durch andere abschaltbare Halb leiterschalter, wie beispielsweise IGCTs, IEGTs, MOSFETs oder dergleichen, ersetzt werden. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 33 und 34 ist gleichgerichtet. Ein Ener giespeicher in Form eines Schaltmodulkondensators 35 ist pa rallel zu den beiden Reihenschaltungen der Halbleiterschalter 31-34 angeordnet. Dem Schaltmodulkondensator 35 ist ein Span nungsmesser 36 zugeordnet, mittels dessen die Energiespei cherspannung Vc überwacht werden kann. Ein erster Anschluss AC1 ist an einem Potenzialpunkt 37 zwischen den Halbleiter schaltern 31, 32 angeordnet, ein zweiter Anschluss AC2 ist an einem Potenzialpunkt 38 zwischen den Halbleiterschaltern 33, 34 angeordnet. Jedem der Halbleiterschalter 31-34 ist je eine Freilaufdiode D antiparallel geschaltet. Durch eine geeignete Steuerung der Leistungshalbleiter 31-34 kann die an den An schlüssen AC1, 2 abfallende Spannung erzeugt werden, die der am Schaltmodulkondensator 35 abfallenden Spannung Vc, der am Schaltmodulkondensator 35 abfallenden Spannung jedoch mit entgegengesetzter Polarität (-Vc) oder der Nullspannung ent spricht. Durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschalter 31-34 kann zudem dem Schaltmodulkondensa tor 35 Energie zugeführt oder entnommen werden.