Theoretische Untersuchung und Simulation einer aktiven Filteranlage mit parallel-serieller Struktur für sechspulsige Diodengleichrichter

Reinhold, Andreas GND

In dieser Arbeit wird eine aktive Filteranlage untersucht, die aus einem parallelen und einem seriellen aktiven Filter besteht. Schwerpunkt der Arbeit ist das serielle aktive Filter. Für das serielle aktive Filter wurde eine Schaltung mit drei einphasigen Wechselrichtern gewählt, um so auf einen Transformator zu verzichten. Mit der Filteranlage wird ein neuartiges Filterkonzept für sechspulsige Diodengleichrichter umgesetzt. Durch das Filterkonzept verbessert sich sowohl die AC- als auch DC-Energiequalität. Zur Verbesserung der AC-Energiequalität werden die Stromoberschwingungen, die durch den Gleichrichter im Drehstromnetz entstehen, in zwei Stufen kompensiert. Die erste Kompensationsstufe führt das serielle aktive Filter aus und die zweite Kompensationsstufe erfolgt mit dem parallelen aktiven Filter. Außerdem werden mit der Filteranlage die Strom- und die Spannungswelligkeit auf der Gleichspannungsseite des Gleichrichters deutlich verringert und somit die DC-Energiequalität verbessert. Zusätzlich ist es mit der Filteranlage möglich, die Gleichspannung des Diodengleichrichters zu vergrößern oder zu verkleinern. Für die Regelung der Filteranlage werden frequenzselektive Regler eingesetzt. Diese Regler ermöglichen eine Regelung im ortsfesten Koordinatensystem. Die Kaskadenregelung des seriellen aktiven Filters regelt den dreiphasigen Wechselstrom und die Gleichspannung des Gleichrichters. Anhand von Simulationsergebnissen werden das stationäre und das dynamische Verhalten der Filteranlage gezeigt sowie eine detailliertere Untersuchung der Kaskadenregelung durchgeführt. Ein wesentlicher Freiheitsgrad bei der Auslegung des seriellen aktiven Filters ist die Nullspannung. Durch das Einspeisen einer entsprechenden Nullspannung können die Kondensatoren oder die erforderlichen Zwischenkreisspannungen des seriellen Filters reduziert werden. Außerdem ist es möglich, mit einer Nullspannung die drei Zwischenkreisspannungen des seriellen Filters zu symmetrieren. Um den Halbleiteraufwand der Filteranlage zu bewerten, wird ein Vergleich mit einem Active-Front-End-Stromrichter durchgeführt. Diese Stromrichter besitzen hinsichtlich der AC- und DC-Energiequalität gleiche Eigenschaften wie die Schaltung bestehend aus Gleichrichter und Filteranlage. Der Vergleich zeigt, dass sich bezüglich der Strom- und Spannungsbeanspruchung unterschiedliche Werte ergeben, was bei der Auswahl der Halbleiter der Filteranlage vorteilhaft genutzt werden kann.

In this thesis an active filter system consisting of a parallel and a serial active filter is investigated. The focus of this investigation is on the serial active filter for which a circuit with three single-phase inverters was selected in order to dispense a transformer. The filter system uses a novel filter concept for a six-pulse diode rectifier which improves both the AC and DC power quality. To improve the AC power quality the harmonic currents, caused by the rectifier in the three-phase system, are compensated in two stages. The first compensation stage is implemented with the serial active filter and the second compensation stage is implemented with the parallel active filter. The filter system also reduces the current ripple and the voltage ripple on the DC side of the rectifier so that the DC power quality is simultaneously improved. In addition, it is possible to increase or decrease the DC voltage of the diode rectifier. Frequency selective controllers are used to control the filter system and enable control in the stationary reference frame. The cascade control of the serial active filter controls the three-phase AC current and the DC voltage of the rectifier. Simulation results show the stationary and dynamic performance of the filter system and are used for a more detailed investigation of the cascade control. A significant degree of freedom in the dimensioning of the serial active filter is the zero sequence voltage. By injecting an appropriate zero sequence voltage the capacitors or the required voltages of the DC link of the serial filter can be reduced. It is also possible to balance the three DC link voltages of the serial filter with a zero sequence voltage. In order to evaluate the semiconductor effort of the filter system a comparison with an active front end converter is carried out. These converters have the same characteristics with respect to the AC and DC power quality like the circuit consisting of rectifier and filter system. The comparison shows that there are different values regarding the operating current and voltage, which can be advantageously used in the selection of the semiconductors of the filter system.

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Reinhold, Andreas: Theoretische Untersuchung und Simulation einer aktiven Filteranlage mit parallel-serieller Struktur für sechspulsige Diodengleichrichter. Ilmenau 2018.

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