Regenerative Umrichter erklärt: Schlüsselprinzipien & regulatorische Aspekte – Teil 2

Nach unserem vorherigen Artikel, der einen kurzen Überblick über den regenerativen Umrichterbetrieb gab, betrachten wir hier einige besondere Faktoren, die bei regenerativem Betrieb zu beachten sind.

Auswirkung auf das Stromnetz (AC-Netz)

Regulierungen

Dies sind die Vorschriften der Stromversorger, um sicherzustellen, dass dezentrale Erzeugung die Sicherheit oder Zuverlässigkeit der Stromversorgung nicht beeinträchtigt. Der Rest dieses Abschnitts deckt die wichtigsten von Regulierungen kontrollierten Themen ab. Wenn das Rekuperationssystem als absichtlicher Generator genutzt werden soll, muss es den am Einsatzort geltenden Regulierungen entsprechen. Wenn nicht, sollten die behandelten Themen dennoch berücksichtigt werden, wann immer der Nennstrom des Rekuperationssystems ein wesentlicher Teil der lokalen Netzkapazität ist, um sicherzustellen, dass im Fehler- oder Fehlfunktionsfall kein Schaden an anderen angeschlossenen Geräten entsteht.

Kurzschlussstrom

Ein lokaler Generator trägt zum Strom in einen elektrischen Fehler (Kurzschluss) bei und könnte die Sicherheit oder den erforderlichen Nennwert von Schaltgeräten beeinflussen. Bei jedem geplanten Generatoranschluss muss der zusätzliche Fehlerstrom berechnet werden. Der Rekuperationsinverter hat jedoch vernachlässigbare Auswirkungen, da der elektronische Überstromschutz übermäßigen Strom viel schneller unterbricht als ein Leistungsschalter oder eine Sicherung reagieren kann. Der Spitzkurzschlussstrom der aktuellen CT-Inverter-Generation beträgt 260 % des Nennstroms, und nach Auslösung des Inverters fällt der Strom in weniger als 4 ms auf null ab (abhängig vom Wert der AC-Drossel). Der Spitzstrom für die Schutzauslegung wird über mindestens eine Halbwelle der Netzfrequenz gemessen. Diese Faktoren machen den Fehlerstrombeitrag vernachlässigbar.

Inselbetrieb (Islanding)

Wenn das Stromnetz von einer Installation getrennt wird, in der ein Generator arbeitet, besteht die Möglichkeit, dass eine Strom-„Insel“ entsteht, wo die lokale Erzeugung unbeabsichtigt die lokalen Lasten weiter energisiert. Das ist nicht sehr wahrscheinlich, da ohne einen speziell entwickelten Governor zur Frequenzregelung nichts sicherstellt, dass Angebot und Nachfrage im Gleichgewicht sind. Normalerweise bewegt sich die Frequenz schnell aus dem Arbeitsbereich und das System löst aus. Auch gibt es keine Kontrolle von Spannung oder Blindleistung. Würde jedoch eine Insel entstehen, bestünde ein Sicherheitsrisiko für Netzarbeiter und ein Risiko für Schäden an lokalen Geräten in der Insel, wenn Spannung oder Frequenz ihren sicheren Bereich verlassen.

Wenn ein Rekuperationssystem eine Energiequelle hat (z. B. Motor, Batterie oder anderer Energiespeicher), sodass Inselbetrieb möglich ist, sollte Schutz vor einer schädlichen Insel bereitgestellt werden. Der Frequenzbereich des Rekuperationsumrichters sollte in den Parametereinstellungen auf einen sicheren Bereich beschränkt werden, und ein Überspannungsrelais sollte eingebaut sein, um den Inverter abzuschalten, wenn die Spannung übermäßig wird.

Für absichtliche Generatoren gibt es Standards für Inselungsschutz (manchmal „Loss of Mains“-Schutz (LOM) genannt). Einige erfordern, dass der Inverter einen speziellen Algorithmus zur Erkennung der Inselbedingung betreibt, der als Standardfunktion im Unidrive M verfügbar ist. Andere erfordern ein unabhängiges, zugelassenes Schutzrelais.

Absichtliche Insel, Notstromversorgung

Bitte beachten: Der Rekuperationsinverter kann nicht als eigenständiger Generator genutzt werden, z. B. als Notstromversorgung bei Netzausfall. Er kann nur in Verbindung mit einem bestehenden Netz betrieben werden, mit dem er sich synchronisiert.

Durchfahren (Ridethrough)

Absichtliche Generatoren können gefordert sein, während einer Netzstörung weiterzuarbeiten. Die häufigste Situation ist, wo ein Fehler (Kurzschluss) irgendwo im Stromnetz zu einem plötzlichen Spannungseinbruch an den Generatoranschlüssen führt. Dieser kann symmetrisch oder unsymmetrisch zwischen den drei Phasen sein. Während des Durchfahrens ist es möglicherweise nicht möglich, die Nennleistung weiter zu erzeugen, wenn die Spannung zu niedrig ist, aber Blindstrom wird benötigt, um die Spannung zu stützen und dem Netz bei der Wiedererlangung der Kontrolle zu helfen, nachdem der fehlerhafte Stromkreis durch automatische Schutzeinrichtungen abgeschaltet wurde.

Ein einfacher AFE (Active Front End) ist recht empfindlich gegen Spannungsstörungen, da sein Betrieb auf einer genauen Balance zwischen der Netzspannungswelle und der im Inverter erzeugten Welle beruht. Ohne Durchfahrfähigkeit neigt er eher zu Störauslösungen als ein einfacher Gleichrichter. Der Unidrive M verfügt über eine wählbare Durchfahrfähigkeit, die wichtige nationale Standardanforderungen erfüllt, wie die BDEW-Richtlinien für Generatoren an Mittelspannungsnetzen.

Wichtig zu verstehen: Im normalen regenerativen Betrieb passt der Rekuperationsinverter seine Leistungsabgabe an das AC-Netz an, um die DC-Zwischenkreisspannung auf den Sollwert zu regeln. Während einer Spannungsstörung kann er nicht mehr seine volle Nennleistung erzeugen, sodass er möglicherweise nicht mehr in der Lage ist, die DC-Spannung weiter zu regeln. Die Energiequelle muss dann diese Rolle übernehmen. Tut sie dies nicht, kann es zu einem Überspannungs-Auslösen kommen, wenn die eingehende Leistung die abgehende übersteigt. Alternativ kann ein Bremswiderstand angeschlossen werden, um Überschussleistung abzubauen.

Leistungs- und Frequenzregelung

Das Gleichgewicht von Angebot und Nachfrage im AC-Stromnetz wird durch Frequenzregelung erreicht. Ein absichtlicher Generator kann gefordert sein, dabei zu helfen, indem er auf externe Leistungsbefehle reagiert oder eine Leistungs-gegen-Frequenz-Regelfunktion implementiert. Dies kann als Applikation im Umrichter programmiert werden.

Oberschwingungen und Zwischenharmonische

Wie im ersten Rekuperations-Blog diskutiert, erzeugt der Rekuperationsinverter vernachlässigbare Pegel echter Oberschwingungsströme, also ganzzahliger Vielfacher der Netzfrequenz. Er interagiert mit bestehenden Oberschwingungen im Netz und erzeugt auch PWM-Modulationsprodukte. Diese liegen bei hohen Frequenzen, die seit vielen Jahren als außerhalb des Oberschwingungsbereichs galten, der allgemein bis zur 40. Ordnung betrachtet wurde. Neuere technische Normen und Messgeräte haben begonnen, Oberschwingungen bis zur 100. Ordnung zu betrachten.

Beispiel: Ein System mit 60 Hz Netzfrequenz und 3 kHz Schaltfrequenz. Die hauptsächlichen schaltfrequenzbezogenen Frequenzen sind 2880 Hz und 3120 Hz – das 48- und 52-fache der Netzfrequenz. Die beiden Frequenzen sind jedoch nicht kommensurabel, also nicht phasengesperrt. Wäre die Netzfrequenz 60,1 Hz, lägen die äquivalenten Produktfrequenzen bei 2879,8 Hz und 3120,2 Hz. Ein Oberschwingungsanalysegerät würde diese bei standardmäßiger 5-Hz-Bandbreite wahrscheinlich als 48. und 52. Oberschwingung anzeigen, oder eine Unfähigkeit zur Datensynchronisation anzeigen.

Wäre die Schaltfrequenz 4 kHz, lägen die Hauptfrequenzen bei 3880 Hz und 4120 Hz, was keine Oberschwingungsfrequenzen sind. Sie würden von einem Analysator mit Zwischenharmoniken-Funktion als „Interharmonische“ angezeigt, oder von einem einfachen Oberschwingungsanalysator mit normaler 5-Hz-Bandbreite ignoriert.

Die oben diskutierten Oberschwingungen und Zwischenharmonischen sind alle 3-Phasen-Sätze mit positiver oder negativer Phasenfolge. Das bedeutet, dass sie – im Gegensatz zu hochfrequenten Gleichtakt-„Rausch“-Spannungen – durch Transformatoren durchgereicht werden und Störungen über einen Standort-Netztransformator hinaus verursachen können. Der Schaltfrequenzfilter ist notwendig, um ihre Amplituden auf akzeptable Werte zu reduzieren.

Wechselwirkung mit der DC-Energiequelle/-senke – Spannungsregelung

Wenn ein Rekuperationssystem an eine DC-Quelle oder -Last angeschlossen ist, muss der DC-Spannungsregelung Beachtung geschenkt werden. In einem regenerativen Antriebssystem wird der Maschinenumrichter effektiv zu einer konstanten Leistungsquelle, und der Rekuperationsinverter passt seine Leistungsexport an, um die eingehende Leistung am gewünschten DC-Spannungswert auszugleichen. Andere Systeme können ganz andere Charakteristiken haben. Zum Beispiel bei einem PV-Inverter werden DC-Spannung und -Strom durch die PV-Kennlinie für die gegebene Einstrahlung und Temperatur gesteuert. Der Inverter „weiß“ nicht natürlich, welche Spannung zu wählen ist, sodass der DC-Spannungssollwert des Rekuperationsinverters durch den MPPT-Algorithmus angepasst werden muss, um den optimalen Arbeitspunkt zu finden.

DC-Versorgung Gleichtaktspannung (Common-Mode Voltage)

Die DC-Versorgung in einem Rekuperationssystem hat eine ungewöhnliche Gleichtaktspannung, also die mittlere Spannung zwischen ihren Polen und Erde. Eine vollständige Spannungswellenformanalyse ist komplex, aber bezogen auf das vereinfachte Schema in Abbildung 1 des ersten Blogs kann man ableiten, dass wenn eines der Eingangs-Inverter-Transistorpaare seinen Zustand ändert, die Tendenz besteht, dass die Spannung des DC-Zwischenkreises um einen Schritt von V_DC bezüglich Erde ändert. Tatsächlich wird der Schritt durch die Spannungsteilung um die Eingangsrossel auf 1/3 V_DC begrenzt. Dieser Schritt tritt bei jedem Phasenschalten auf, also sechsmal pro PWM-Schaltzyklus.

Das bedeutet, dass bei konventioneller NS-Netzversorgung mit geerdetem Neutralleiter der DC-Zwischenkreis eine hohe Gleichtaktspannung führt, die ein komplexes PWM-Muster mit steilen Flanken ist und ein breites Frequenzspektrum enthält. Einige Auswirkungen sind:

1. Keiner der an den DC-Zwischenkreis angeschlossenen Umrichter, noch der Rekuperationsinverter selbst, darf die internen EMV-Filterkondensatoren eingebaut haben, da diese durch die Gleichtaktspannung überlastet werden könnten und hohe zirkulierende Erdströme verursachen würden, was zu Inverter-Fehlfunktion führt.
2. Kein RFI-Filter darf an den DC-Zwischenkreis angeschlossen werden, aus demselben Grund wie in 1.
3. Der DC-Zwischenkreis ist „rauschend“, daher kann er, wenn er über ungeschirmte Leiter verteilt wird, benachbarte Signalkreise stören. Wenn die DC-Leistung über größere Distanzen verteilt werden soll, muss dies in geschirmten Kabeln erfolgen. Sind die Kabel lang, verursacht der hochfrequente Erdstrom in ihrer Streukapazität zusätzlichen Leistungsverlust in den Rekuperationsdrosseln.
4. Kein anderes Gerät darf an den DC-Zwischenkreis angeschlossen werden, es sei denn, bestätigt wurde, dass es die Gleichtaktspannung toleriert. (Z. B. Geräte für DC-Betrieb haben oft eigene RFI-Filter, die die Gleichtaktspannung nicht tolerieren würden. Die meisten Strom- und Spannungswandler sind jedoch für Gleichtaktspannung ausgelegt.)

Für Spezialanwendungen, wo diese Effekte inakzeptabel sind, ist eine Lösung der Einsatz eines Trenntransformators am Eingang, sodass das AC-Netz von Erde isoliert ist. Dann ist es möglich, einen Pol des DC-Zwischenkreises direkt an Erde anzuschließen, sodass keine Gleichtaktspannung besteht. Oder er kann über Kondensatoren an Erde oder einen RFI-Filter angeschlossen werden, um das hochfrequente Gleichtakträuschen zu reduzieren, das am ehesten Störungen verursacht. Dies wird z. B. in Photovoltaik-Invertern und Systemen genutzt, wo DC-Leistung an mehrere Lasten verteilt werden muss.

Filter, Netzimpedanz, Stromregelung

Der Schaltfrequenzfilter wurde oben im Zusammenhang mit der Vermeidung von Störungen für andere Geräte am selben Netzanschluss besprochen. Der Filter muss auch in Bezug auf seine Auswirkung auf das Inverter-Regelsystem betrachtet werden.

Bei einem 3-kHz-Inverter liegt die Filtergrenzfrequenz bei ca. 800 Hz, sodass er bei 2900 Hz nützliche Dämpfung gibt. Die Grenzfrequenz wird etwas von der Netzimpedanz beeinflusst, die für diese ungewöhnlichen Frequenzen unbekannt ist. Das bedeutet, dass die Stromregelkreis-Verstärkung im Inverter nicht zu hoch eingestellt werden darf, sonst wird die Stabilität um 800 Hz marginal und das System wird störempfindlich und fehleranfällig. Für die meisten konventionellen Antriebsanwendungen, wo das Rekuperationssystem eine von vielen Lasten in einem industriellen NS-Verteilnetz ist, gibt es ausreichend natürliche Dämpfung, sodass keine besonderen Anforderungen entstehen. Die Standardwerte sind meist wirksam.

Wo ein oder mehrere Rekuperationssysteme von einer dedizierten Versorgung gespeist werden, mit wenig anderem Anschluss, kann es zu Unterdämpfung der Stromregelkreise kommen. Dies lässt sich leicht mit einem Oszilloskop an den Leitungsstromkurven identifizieren, da Oszillationsausbrüche („Ringing“) mit einer Periode von ca. 800 Hz auftreten, oft an 6 Punkten pro Netzperiode. In dieser Situation kann die Stabilität durch Reduzierung des P-Anteils in den Stromregelkreisen wiederhergestellt werden. Es kann auch nötig sein, die Spannungsregelkreis-Verstärkungen zu reduzieren, um eine durch den langsameren Stromkreis verursachte unterdämpfte Spannungsregelung zu vermeiden. Wenn die Anwendung hochdynamisch ist, sodass diese niedrigeren Verstärkungen nicht akzeptabel sind, ist eine alternative Methode zur Verbesserung der Dämpfung erforderlich. Es gibt zwei Optionen:

1. Zusätzliche Filterkondensatoren hinzufügen. Dies senkt die Filtergrenzfrequenz auf einen Wert, wo die Stromregelkreise weniger Phasenverzug haben und aktiv dämpfen können.
2. Einen gedämpften Filter verwenden. Dieser nutzt zusätzliche Kondensatoren und kleine Widerstände zur Dämpfung. Weitere Informationen bei CT Technical Support.

Beide Optionen wurden effektiv eingesetzt. Der Nachteil von Option 1: Mehrere Kondensatoren können nötig sein, was Platz beansprucht und einen hohen stehenden Blindstrom verursacht, der dann durch die Blindstromregelung des Inverters ausgeglichen werden muss. Der Nachteil von Option 2: Die Widerstände verursachen stehende Leistungsverluste und müssen vor Überlast bei abnormalen Netz-Oberschwingungen geschützt werden, was die Option komplexer macht.