Mit der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik finden leistungselektronische Geräte zunehmend Anwendung in Bereichen wie Metallurgie, Chemie, Kohlebergbau und Transportwesen und werden zu wichtigen Basiskomponenten für die Produktionsautomatisierung. Die weitverbreitete Nutzung dieser Geräte führt jedoch zu einer erhöhten Einspeisung von Oberschwingungen und Blindleistung in das Stromnetz. Dies beeinträchtigt die Stromqualität und verursacht eine „Netzverschmutzung“, die zu einem der größten Hindernisse für die Weiterentwicklung der Leistungselektronik geworden ist. Daher sind das Verständnis und die Analyse der Ursachen und Gefahren von Oberschwingungen, die von leistungselektronischen Geräten erzeugt werden, die Entwicklung umfassender Managementmethoden, die Reduzierung der Oberschwingungsverschmutzung und die Verbesserung des Leistungsfaktors im Stromnetz zu zentralen Forschungsthemen der Leistungselektronik geworden. Die zunehmende Oberschwingungsverschmutzung im Stromnetz hat oft gravierende Auswirkungen auf den Betrieb von Anlagen. Ihre Gefahren äußern sich im Allgemeinen wie folgt: 1) Oberschwingungsströme erhöhen die Verluste in Übertragungskabeln, reduzieren die Übertragungskapazität, beschleunigen die Alterung der Isolierung, erhöhen den Leckstrom und können in schweren Fällen sogar zu Entladungsdurchschlägen führen. 2) Sie erhöhen die Motorverluste, die Wärmeentwicklung, verringern die Überlastfähigkeit, die Lebensdauer und den Wirkungsgrad und können sogar Geräteschäden verursachen. 3) Sie verursachen leicht Resonanzen zwischen dem Stromnetz und parallelgeschalteten Kondensatoren zur Kompensation von Blindleistung im Netz, was zu Überspannungen oder Überströmen und in der Folge zu Alterung oder sogar zum Durchbrennen der Kondensatorisolierung führen kann. 4) Oberschwingungsströme in Transformatorwicklungen erhöhen die zusätzlichen Verluste, verursachen Wicklungserwärmung, beschleunigen die Alterung der Isolierung und erzeugen Geräusche. 5) Oberschwingungsströme stören das Erregersystem von Hochleistungsmotoren und beeinträchtigen deren ordnungsgemäßen Betrieb. 6) Oberschwingungsströme beeinträchtigen den ordnungsgemäßen Betrieb elektronischer Geräte, z. B. durch Fehler in bestimmten elektrischen Messgeräten, die zu Fehlfunktionen von Schutzrelais und automatischen Geräten führen, benachbarte Kommunikationssysteme stören und einige audiovisuelle Geräte sowie computergesteuerte Systeme beeinträchtigen und Programmfehler verursachen können. Oberschwingungserzeugung in Leistungselektronikgeräten: Oberschwingungen im Stromnetz werden hauptsächlich durch verschiedene Hochleistungsumrichter und andere nichtlineare Lasten erzeugt. Die primären Oberschwingungsquellen sind verschiedene Leistungselektronikgeräte wie Gleichrichter und Wechselspannungsregler. Gleichrichter machen den größten Anteil aus, wobei fast alle eine diodenungesteuerte Gleichrichtung mit Kondensatorfilterung oder eine thyristorphasengesteuerte Gleichrichtung verwenden. Die von ihnen verursachte Oberwellenbelastung und der Blindleistungsverbrauch sind bekannt. Neben Gleichrichtern werden auch Chopper und Wechselrichter häufig eingesetzt, deren Gleichstrom-Eingangsleistung ebenfalls von Gleichrichtern stammt, wodurch auch deren Oberwellenprobleme gravierend sind. Dies gilt insbesondere für Chopper und Wechselrichter, die mit Gleichspannungsquellen betrieben werden, welche meist durch diodenungesteuerte Gleichrichtung mit anschließender Kondensatorfilterung erzeugt werden. Die Oberwellenbelastung des Stromnetzes durch diese Geräte nimmt stetig zu. Oberwellenunterdrückung: Um Oberwellen im Stromnetz zu unterdrücken und deren schädliche Auswirkungen zu reduzieren sowie die wissenschaftliche und rechtliche Steuerung zu verbessern, sind aktive und effektive technische Maßnahmen zur Minimierung des Oberwellengehalts leistungselektronischer Geräte und die Installation effektiver Filtervorrichtungen erforderlich. 1. Proaktive Maßnahmen zur Reduzierung des Oberwellengehalts in leistungselektronischen Geräten: Die Reduzierung des Oberwellengehalts beginnt primär beim Umrichter selbst. Dies umfasst die Konstruktion und die Integration von Hilfssteuerungsstrategien zur Reduzierung oder Eliminierung von Oberwellen. Zu den aktuell eingesetzten Technologien gehören: 1) Mehrpuls-Umrichtertechnologie: Bei Hochleistungselektronikgeräten wird der ursprüngliche 6-Puls-Umrichter häufig als 12- oder 24-Puls-Umrichter ausgeführt, um den Oberwellenstromanteil auf der Wechselstromseite zu reduzieren. 2) Pulsweitenmodulation (PWM): Die Grundidee besteht darin, die Übergangszeiten der PWM-Ausgangswellenform so zu steuern, dass die Viertelwellenlängensymmetrie gewährleistet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Amplitude der zu eliminierenden Oberwellen null ist, während die Amplitude der Grundwelle einen vorgegebenen Wert aufweist. So werden die gewünschten Oberwellen eliminiert und die Amplitude der Grundwelle gesteuert. 3) Mehrpegel-Umrichtertechnologie: Bei verschiedenen Leistungselektronik-Umrichtern werden Verfahren wie Phasenmultiplexverfahren, sequentielles und asymmetrisches Multiplexing eingesetzt, um Rechteckströme oder -spannungen zu überlagern. Dadurch wird der vom Umrichter auf der Wechselstromnetzseite erzeugte Strom oder die Spannung zu einer nahezu sinusförmigen Stufenwelle, die eine bestimmte Phasenbeziehung zur Versorgungsspannung beibehält . Installation von Leistungsfiltern zur Verbesserung der Filterleistung (1) Passive Leistungsfilter Passive Leistungsfilter (PPF) verwenden Kondensatoren und Drosseln, um einen LC-Schwingkreis zu bilden. Dieser bietet einen parallelen niederohmigen Pfad für Oberschwingungen im System und dient somit der Filterung. Gleichzeitig kann der Kondensator Blindleistung kompensieren und den Leistungsfaktor des Stromnetzes verbessern. Aufgrund ihrer einfachen Struktur, der geringen Kosten, der niedrigen Betriebsverluste und der geringen technischen Anforderungen sind PPF die am häufigsten verwendeten Geräte zur Verbesserung der Stromqualität. Aus strukturellen und prinzipiellen Gründen weisen passive Filter jedoch einige unüberwindbare Nachteile bei der Lösung von Oberschwingungsproblemen auf, wie z. B.: Es können nur bestimmte Oberschwingungen herausgefiltert werden, das Oberschwingungskompensationsfrequenzband ist schmal, die Überlastfähigkeit ist gering, die Anpassungsfähigkeit an Systemimpedanz- und Frequenzänderungen ist schlecht, die Stabilität ist gering, die Größe ist groß und die Verluste sind hoch. (2) Aktive Leistungsfilter Abbildung 1 zeigt das Prinzipblockdiagramm von aktiven Leistungsfiltern (APF). Der aktive Filter (APF) erkennt Oberwellenströme im Stromnetz und steuert den Wechselrichter, um die entsprechende Kompensationsstromkomponente zu erzeugen und ins Netz einzuspeisen. Dadurch werden die Oberwellen eliminiert. Je nach Anschlussart an das System lassen sich APFs in Reihen-, Parallel- und Reihen-Parallel-Hybrid-Typen unterteilen. Parallel-APFs eignen sich hauptsächlich zur Oberwellenkompensation induktiver Stromquellen, Reihen-APFs dienen vorwiegend der Eliminierung des Einflusses von Spannungsquellen wie Diodengleichrichtern mit Kondensatoren. Reihen-Parallel-APFs vereinen die Funktionen beider Typen. Die Filtereigenschaften des APFs werden nicht durch die Systemimpedanz beeinflusst und es treten keine Reihen- oder Parallelresonanzen mit der Netzimpedanz auf. Zudem dämpft er die Resonanz externer Schaltungen. Darüber hinaus zeichnet sich der APF durch hohe Regelbarkeit und schnelle Reaktionszeiten aus. Er kompensiert nicht nur einzelne Oberwellen, sondern unterdrückt auch Spannungsflimmern und kompensiert Blindstrom. Er bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Darüber hinaus verfügt der APF über eine adaptive Funktion und kann Oberschwingungen mit variierender Amplitude und Frequenz sowie variierender Blindleistung in Echtzeit automatisch erfassen und kompensieren. (3) Hybrid-Leistungsfilter: Der Hybrid-Leistungsfilter kombiniert passive und aktive Filter. Sein Aufbau ist in Abbildung 2 dargestellt. Aktive Leistungsfilter führen nicht direkt den Grundstrom der Netzspannung und der Last; sie dienen lediglich als Oberschwingungsisolatoren für den Laststrom und die Netzspannung. Daher kann die Kapazität aktiver Leistungsfilter geringer ausgelegt werden. Durch die Nutzung der Eigenschaft in Reihe geschalteter aktiver Leistungsfilter zur Erhöhung der Oberschwingungsimpedanz ohne Beeinträchtigung der Grundfrequenz kann die Filterwirkung passiver Filter verbessert und Resonanzen mit dem Netz verhindert werden. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass die Leistung aktiver Leistungsfilter maßgeblich von den Eigenschaften des Stromwandlers abhängt. Daher wurde ein neuartiges Hybrid-Leistungsfilterkonzept vorgeschlagen (siehe Abbildung 3). Es verwendet einen Wechselrichter mit niederfrequenten IGBTs zur Blindleistungskompensation und einen Wechselrichter mit hochfrequenten Niederspannungs-MOSFETs zur Oberschwingungsstromkompensation. Die Ausgangsseite des Hochfrequenzwechselrichters nutzt eine Transformatorisolierung, um die meisten Störungen zu eliminieren. Die zunehmende Oberwellenbelastung hat breite Aufmerksamkeit erregt. Ein tieferes Verständnis der Oberwellenphänomene ermöglicht die Entwicklung effektiverer Methoden zur Unterdrückung und Eliminierung von Oberwellen und trägt zur Formulierung angemessenerer Normen für das Oberwellenmanagement bei. Zur besseren Unterdrückung von Oberwellen sollten für unterschiedliche Oberwellenquellen geeignete Filterstrukturen eingesetzt werden. Die Forschung an kaskadierten Hochleistungs-APFs und DSP-basierten intelligenten APFs zeigt, dass verlustarme, leistungsstarke, hochfrequente und intelligente APFs die Zukunft prägen. Mit der Intensivierung umfassender Bemühungen zur Bekämpfung der Oberwellenbelastung wird die Förderung und Anwendung von Leistungselektronik zweifellos ein breiteres Anwendungsfeld eröffnen.