Zusammenfassung: Dieser Beitrag stellt ein praktisches Konzept für einen drehzahlverstellbaren Antrieb (ASD) mit Superkondensator-Energiespeicher zur Kompensation von Netzqualitätsstörungen (Durchfahrbetrieb) vor. Der ASD arbeitet im AC-DC-AC-Modus mit einer 12-Puls-Gleichrichterstruktur ohne Steuerung am Eingang. Dies reduziert den Oberwellenstrom am Eingang und ermöglicht die Erhöhung der Zwischenkreisspannung. Der Mittelpunkt der beiden Gleichrichter im Mehrphasengleichrichter klemmt die Spannungen der oberen und unteren DC-Kondensatoren direkt auf die gleichgerichtete Ausgangsspannung, was die Mittelpunktpotentialregelung erheblich vereinfacht. Das Superkondensatormodul ist an den Zwischenkreis angeschlossen und unterstützt die Last bei kurzzeitigen Stromausfällen oder Spannungseinbrüchen mit aktiver Leistung. Ein 15-kVA-ASD-Laborprototyp, der Netzqualitätsstörungen kompensieren kann, wurde entwickelt. Digitale Simulationen und physikalische Experimente bestätigten die Korrektheit und Effektivität der vorgeschlagenen Topologie und Regelungsstrategie hinsichtlich der Eliminierung der Auswirkungen von Netzqualitätsstörungen auf den ASD. Schlüsselwörter: Frequenzumrichter, Netzqualität, Störungen, Superkondensatoren 0. Einleitung Probleme der Netzqualität rücken immer stärker in den Fokus, da kurzzeitige Stromausfälle und Spannungseinbrüche eine erhebliche Bedrohung für Frequenzumrichtersysteme darstellen. Ein Spannungseinbruch von 20 ms Dauer und 10 % kann das Schutzsystem des Frequenzumrichters auslösen, die kontinuierliche Produktion unterbrechen und erhebliche wirtschaftliche Verluste verursachen. Der Einsatz von Energiespeichern zur Minderung von Netzqualitätsstörungen ist derzeit der direkteste und zuverlässigste Ansatz. Zu den gängigen Energiespeichern zählen Batterien, supraleitende Spulen, Schwungräder und Kondensatoren. Kurzzeitige Stromausfälle und Spannungseinbrüche sind jedoch sehr kurzlebig und dauern in der Regel nicht länger als einige Sekunden, treten aber häufig auf. Superkondensatoren bieten erhebliche Vorteile bei kurzzeitigen Hochleistungsanwendungen. Superkondensatoren, auch elektrochemische Kondensatoren genannt, zeichnen sich durch hervorragende Impulslade- und -entladeeigenschaften sowie eine hohe Speicherkapazität aus. Die Kapazität einer einzelnen Zelle hat mittlerweile Zehntausende Farad erreicht und macht sie damit zu einem neuartigen Energiespeicherelement zwischen elektrostatischen Kondensatoren und Batterien. Die maximale Lade- und Entladeleistung von Superkondensatoren wird durch die Ionenausrichtung und die Ladungstransferrate an der Oberfläche der Aktivmaterialien bestimmt. Dadurch kann der Ladungstransfer in kurzer Zeit erfolgen, was zu einem hohen Entladeleistungsverhältnis führt. Da sich das Aktivmaterial an der Elektrode, welches die Reaktionsrate bestimmt und die Lebensdauer der Elektrode begrenzt, nicht verändert, weist die Zelle eine gute Zyklenstabilität auf [1]. Daher hat sie in Ländern wie Japan, den USA, der Europäischen Union und Russland große Aufmerksamkeit erregt. Derzeit werden Kompositbatterien aus Superkondensatoren und verschiedenen Leistungsbatterien bereits im Bereich der Elektrofahrzeuge praktisch eingesetzt [1]. Japan forscht an Anwendungen wie der Stromversorgung von Elektrolokomotiven und Kurzzeit-USV-Anlagen und hat experimentelle Prototypen mit 80 kVA bzw. 50 kVA entwickelt. Auch im Ausland wird derzeit intensiv an der ASD-Durchfahrtstechnik geforscht. In der Literatur werden Forschungen zu experimentellen Prototypen mittlerer und kleiner Leistung (3–5 kW) vorgestellt, die Energie aus Energiespeicherelementen mittels verschiedener DC/DC-Wandlertopologien gewinnen [4] [5] [6]. Die Realisierung hoher Kapazitäten gestaltet sich jedoch schwierig. Dank der kontinuierlichen Verbesserung der Superkondensator-Technologie und sinkender Preise pro Kapazität ist es nun möglich, Superkondensatoren direkt zur Unterstützung der DC-Busspannung einzusetzen und so ASD-Geräte mit extrem hoher Kapazität zu realisieren. Angesichts der Notwendigkeit, die Energiestruktur anzupassen, ist der Markt für automatische Drehzahlregler (ASD) in meinem Land enorm, insbesondere für Hochspannungs- und Hochleistungs-Frequenzumrichter. Die Fähigkeit von ASD, Netzqualitätsstörungen zu kompensieren, hat jedoch in der heimischen Forschung und Produktion bisher nicht genügend Beachtung gefunden. Forschung in diesem Bereich hat bedeutende theoretische und praktische Implikationen. Dieser Beitrag schlägt eine äußerst praxisnahe und einfach skalierbare ASD-Struktur auf Basis von Superkondensatoren vor. Simulations- und experimentelle Untersuchungen bestätigen die Korrektheit und Effektivität der vorgeschlagenen Topologie und Regelungsstrategie zur Eliminierung der Auswirkungen von Netzqualitätsstörungen auf den Frequenzumrichter. 1. Hauptschaltungsstruktur Die Hauptschaltung des Frequenzumrichters arbeitet im AC-DC-AC-Modus (siehe Abbildung 1). Der Energiespeicher ist direkt an den DC-Bus angeschlossen. Bei einer Netzspannungsqualität unterhalb des eingestellten Standards wird Energie aus dem Energiespeicher entnommen und vom Wechselrichter an die Motorlast abgegeben. Dadurch wird eine vollständige Immunität des Wechselrichters gegenüber netzseitigen Netzqualitätsproblemen und eine verzögerungsfreie Reaktion auf Systemfehler erreicht. [align=center]Abbildung 1. Hauptschaltungsstruktur des Frequenzumrichters mit Superkondensator[/align] In der Abbildung steht SC für den Superkondensator, R für den Ladewiderstand, D für die Entladediode, Cd für den Glättungskondensator, Sa bis Sc für IGBTs und L0 und C0 für die Induktivität bzw. Kapazität des Ausgangsfilters. Die Wechselstrom-Eingangsseite verwendet einen dreipoligen Eingangstransformator in Stern-Stern-Schaltung (Y/Y/D) und zwei dreiphasige, ungesteuerte Gleichrichterschaltungen, die ein 12-Puls-Gleichrichtersystem bilden. Der in das System eingespeiste Oberwellenstrom hat eine Ordnung von 12 kΩ ± 1, ist also betragsmäßig klein, aber von hoher Ordnung. Daher ist, sofern keine besonderen Anforderungen bestehen, kein Filter erforderlich. Darüber hinaus kann der Ausgang der beiden in Reihe geschalteten Gleichrichter am Zwischenkreis die Zwischenkreisspannung erhöhen, sodass der Wechselrichter in einem größeren Spannungsbereich arbeiten kann. Der Mittelpunkt des Gleichrichters ist mit dem Mittelpunkt des Glättungskondensators, des Superkondensators und des Ausgangsfilters verbunden. Durch die Verwendung der Gleichrichterschaltung zur Spannungsbegrenzung des Glättungskondensators lässt sich der Spannungsausgleich zwischen den oberen und unteren Kondensatoren einfach realisieren. Da Superkondensatoren große Kapazitäten aufweisen, die typischerweise um ein Vielfaches größer sind als die von Glättungskondensatoren (die entsprechend den Energiespeicheranforderungen konfiguriert werden), können sie beim Einschalten ohne Gegenmaßnahmen massive Einschaltströme verursachen, die den sicheren Betrieb des Eingangstransformators und der Gleichrichterschaltung gefährden. In Abbildung 1 begrenzt ein Ladewiderstand R den Ladestrom des Superkondensators SC, während der Ladestrom des Glättungskondensators Cd durch die Streureaktanz des Eingangstransformators begrenzt wird. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie der Häufigkeit kurzzeitiger Stromausfälle und Spannungseinbrüche sowie der Kapazität des Ladewiderstands liegt die Zeitkonstante des SC-Ladekreises im Allgemeinen in der Größenordnung von mehreren zehn Minuten. Das Laden des SC entspricht dem Hinzufügen einer Last zum DC-Zwischenkreis, und ein vollständig geladener SC stabilisiert die DC-Zwischenkreisspannung sehr stark, wodurch die Kapazität des Glättungskondensators Cd in der Auslegung deutlich reduziert werden kann. 2. Prinzip und Regelungsstrategie Der in Abbildung 1 dargestellte ASD ist ein dreiphasiger Spannungszwischenkreisumrichter auf IGBT-Basis. Der Superkondensator ist über eine Entladediode mit dem DC-Zwischenkreis verbunden. Die Schaltelemente Sa bis Sc bilden den ASD-Wechselrichter. Dank des Energiespeichersystems kann dieser bei Stromausfällen und Spannungseinbrüchen kurzzeitig Wirkleistung an die Last abgeben. Da keine Netzqualitätsstörungen, Netzspannungssynchronisation usw. erkannt oder berechnet werden müssen, ist die Regelungsstrategie relativ einfach. Es genügt, die Zwischenkreisspannung abzutasten, zu prüfen, ob sie im zulässigen Betriebsbereich des Wechselrichters liegt und ob dieser die Last versorgen kann. Der Spannungsbefehl wird vom DSP-Controller generiert, und die untere Ebene moduliert das Steuersignal der Schaltelemente des Wechselrichters mittels SPWM-Regelung. 3. Energiespeicherkonfiguration Die im Superkondensator gespeicherte Energie wird wie folgt ausgedrückt: Dabei ist C die Kapazität des Superkondensators und Vsc die Klemmenspannung des Superkondensators. Die Dauer der konstanten Wirkleistungsversorgung der Last wird wie folgt ausgedrückt: Dabei ist PL die konstante Wirkleistungsabgabe des Superkondensators, V1 die anfängliche Klemmenspannung des Superkondensators und V2 die minimale Klemmenspannung für den Normalbetrieb. Wie aus Gleichung (2) ersichtlich, sinkt die Klemmenspannung des Superkondensators auf 70 % der Anfangsspannung, wenn 50 % der gespeicherten Energie abgegeben werden. Daher lässt sich der Kapazitätswert C des Superkondensators eindeutig anhand der spezifischen Last (PL), der ASD-Aufrechterhaltungsleistungsversorgungszeit (t) nach einem Stromausfall, der DC-Busspannung zum Zeitpunkt des Fehlers (V1) und der für den Normalbetrieb des Wechselrichters erforderlichen minimalen DC-Busspannung (V2) bestimmen. 4. Simulation und Experiment Wir entwickelten ein 15-kVA-ASD-Gerät mit Superkondensator-Energiespeicher (siehe Abbildung 1) und führten umfangreiche digitale Simulationen und physikalische Experimente durch. Die Simulationen basierten auf EMTDC/PSCAD. Um den Effekt deutlich zu beobachten, wurde die Kapazität des Superkondensators mit 5000 mF relativ gering gehalten. Abbildung 2 und 3 zeigen die Simulations- bzw. experimentellen Ergebnisse des ASD-Betriebs während eines kurzzeitigen Stromausfalls. [align=center] Abbildung 2. Simulationsergebnisse des ASD-Betriebs während eines kurzzeitigen Stromausfalls: Oben: System-Phasenspannung A (kV); Mitte: Last-Phasenspannung A (kV); Unten: DC-Bus-Spannung (kV)[/align] [align=center] Abbildung 3. Experimentelle Ergebnisse des ASD-Betriebs während eines kurzzeitigen Stromausfalls: Oben: Last-Phasenspannung A; Unten: System-Phasenspannung A[/align] Es ist ersichtlich, dass der ASD selbst bei einem kurzzeitigen Stromausfall den normalen Betrieb des Wechselrichters durch die Nutzung der im Superkondensator gespeicherten Energie aufrechterhalten kann. Dadurch werden die Auswirkungen des kurzzeitigen Stromausfalls auf den Wechselrichter eliminiert und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung deutlich verbessert. Dieser Effekt gilt selbstverständlich auch für andere Probleme der Stromqualität, wie z. B. Spannungseinbrüche. Abbildung 4 zeigt die experimentellen Wellenformen des ASD-Betriebs bei einem Spannungseinbruch im System. [align=center] Abbildung 4. Experimentelle Ergebnisse des ASD-Betriebs bei einem Spannungseinbruch im System: Oben: Spannung der Lastphase A; Unten: Spannung der Systemphase A[/align] 5. Schlussfolgerung In diesem Beitrag wird ein praktisches Konzept für ASD-Geräte auf Basis von Superkondensatoren zur Kompensation von Netzqualitätsstörungen vorgestellt. Der ASD arbeitet im AC-DC-AC-Modus und verwendet eingangsseitig eine 12-Puls-Gleichrichterstruktur. Dies reduziert einerseits den Oberwellenstrom am Eingang und ermöglicht eine einfache Erhöhung der Zwischenkreisspannung. Andererseits werden die Spannungen der oberen und unteren DC-Kondensatoren im Mittelpunkt des Mehrphasengleichrichters direkt auf die gleichgerichtete Ausgangsspannung begrenzt, was die Regelung des Mittelpunktpotenzials erheblich vereinfacht. Das Superkondensatormodul ist an den Zwischenkreis angeschlossen. Bei einem kurzzeitigen Stromausfall oder Spannungseinbruch im System stellt der Superkondensator-Energiespeicher aktive Leistungsunterstützung für die Last bereit. Digitale Simulationen und physikalische Experimente bestätigen die Korrektheit und Effektivität der vorgeschlagenen Topologie und Regelungsstrategie hinsichtlich der Eliminierung der Auswirkungen von Netzqualitätsstörungen auf den ASD. Referenzen: [1] Zhu Lei, Wu Borong, Chen Hui et al., Forschung und Anwendung von Superkondensatoren [J], Rare Metals, Mai 2003. [2] Nakamichi Yoshinobu, Konishi Takeshi et al., Anwendung von Doppelschichtkondensatoren in Gleichstrom-Eisenkreisen [J], Meiden Times, Bd. 287, Nr. 6, 2002. [3] Ogawa Shigeaki, Sugimoto Shigeyuki et al., Entwicklung einer USV für Doppelschichtkondensatoren [J], Meiden Times, Bd. 292, Nr. 5, 2003. [4] Von Jouanne, A., Enjeti, P. N., Banerjee, B., Bewertung von Durchfahralternativen für drehzahlverstellbare Antriebe [J], IEEE Transactions on Industry Applications, Band: 35, Ausgabe: 4, Juli-Aug. 1999, Seiten: 908–916. [5] Wang Zhaoan, Yang Jun, Liu Jinjun, Oberwellenunterdrückung und Blindleistungskompensation [M], Peking: China Machine Press (CMP), 1998. [6] Miller, J. M.; Smith, R., Ultrakondensatorunterstützte elektrische Antriebe für den Transport [C], Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC03. IEEE International, Band: 2, Madison, WI, USA, 1.–4. Juni 2003, Seiten: 670–676.