Analyse und Synthese von Konzepten für hybride leistungselektronische Erdschlusskompensatoren für Mittelspannungsnetze

Smirnov, Pavel GND

In den vergangenen Jahren ist das Energieübertragungssystem mit der Zunahme der Produktion angewachsen. Jedes Jahr werden daher neue Übertragungsnetze in Betrieb genommen und die bereits bestehenden Übertragungsnetzwerke werden erweitert. In der Vergangenheit wurde der Strom in großen Kraftwerken zentral erzeugt und vom Hochspannungsnetz übertragen. Jetzt werden jedoch zunehmend auch große Mengen der elektrischen Energie vom NS- und MS-Netz übertragen. Die Anlagen zur Nutzung der erneuerbaren Energien sind grundsätzlich auf der Mittelspannungseben angeschlossen. Die modernen Netze müssen somit nicht nur mit einer schwankenden Stromerzeugung sondern auch mit verschiedenen Fehlern umgehen können. Mit wachsender Netzausdehnung steigt auch die Wahrscheinlichkeit für einen Fehlereintritt. Folglich müssen neue Verfahren entwickelt werden, um die Zuverlässigkeit und Stabilität der Netze auch im Fehlermodus zu verbessern. Derzeit werden oft kompensierte MS-Netze zum Schutz vor einphasigen Erdfehlern verwendet, wobei der Neutralleiter entweder über eine Drossel oder einen Widerstand mit der Erde verbunden ist. Damit kann der Fehlerstrom begrenzt und die Netze im Fehlerfall weiter betrieben werden. Gleichwohl haben auch die modernen passiven Kompensationsanlagen Probleme mit der Abstimmgenauigkeit, den Abmessungen sowie aufgrund der Komplexität des Antriebssystems. Moderne leistungselektronische Kompensationsanlagen werden zunehmend in MS-Netzen eingesetzt, um die Blindleistung zu kompensieren und nichtlineare Lastströme zu filtern. Sie können außerdem verwendet werden, um den Fehlerstrom zu kompensieren und eine optimale Ausnutzung der Übertragungskapazitäten der Leitungen zu ermöglichen. Da diese innovativen leistungselektronischen Kompensationsanlagen bei relativ hohen Frequenzen arbeiten, können außerdem wertvolle Materialien wie Kupfer und Stahl, die für die 50-Hz-Drosseln notwendig sind, eingespart werden. Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines Hochleistungs-MS-Wechselrichters sowie dessen zur Kompensation notwendigen Steuerungssystems. Der Kompensator dient dabei zur Eliminierung des einpoligen Erdfehlerstromes (Grund- und Oberschwingungskomponenten) und kann daher im Übertragungssystem als Äquivalent der Petersonspule oder des Widerstands betrachtet werden. Der auf der Hilbert-Transformation basierende Steueralgorithmus wird ebenfalls erörtert.

In the last years, the power generation systems have increased constantly with the increase in production. Every year new distribution networks are put into operation. The already existing networks are expanded. Moreover, in the past the power had been generated centrally in large power plants and transmitted by the high-voltage transmission grid, now vast amounts of the electric energy are handled by the low- and medium-voltage grid. The renewable energy sources are basically united in medium voltage grids. The modern grids has to be able to handle the fluctuating power generation and various sort of faults. With the growing grids the fault chance increases. Consequently, the new methods have to be developed to improve the reliability and stability of the grids in fault modes.
Currently, to protect from one-phase ground faults the compensated networks are used with the neutral connected with the ground through the reactor or resistor. It allows to limit the fault current and the networks be able to be operated. Nevertheless, the modern compensation devices have the problems with the tuning accuracy, dimensions and the complexity due to the drive system. The modern power electronic devices are used in MV grids to compensate the reactive power (STATCOMs) and to filter the non-linear loads currents. They could be used to compensate the fault current and to allow the optimal utilization of lines as well. Moreover, since these converters operate at relatively high frequencies, valuable materials like copper and steal, used for 50 Hz reactors, can be saved.
This work is dedicated to the development of a high-power medium-voltage power converter and its control system. This converter is used to compensate the one-phase ground fault current (main and high frequency components) and therefore is considered as the equivalent of the reactor or resistor in the classical system. The control algorithm based on the Hilbert transformation is proposed as well.

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