CH719715B1

CH719715B1 - Electronic voltage regulator in distribution networks.

Info

Publication number: CH719715B1
Application number: CH000635/2022A
Authority: CH
Inventors: Michael Jakob Eugen; Girardi Bernhard; Fehr Christoph
Original assignee: On Power Tech Ag
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2025-02-28
Also published as: CH719715A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Qualität einer Spannung eines Niederspannungsverteilnetzes. Die Vorrichtung besteht aus einem dreiphasigen Einspeisetransformator, dessen Primärwicklungen in Serie zwischen einem dreiphasigen Eingang und einem dreiphasigen Ausgang geschaltet sind, einem bidirektionalen dreiphasigen Wechselrichter, einem dreiphasigen Gleichrichter, einem Gleichspannungszwischenkreis zur Verbindung des Gleichrichters mit dem Wechselrichter, einer Schaltung zum Ausgleich des Mittelpunkts des Gleichspannungszwischenkreises und einem Anschluss zum Anschliessen eines Energiespeichers. Der Wechselrichter kann über den Einspeisetransformator eine Spannung auf eine am Eingang anliegende Spannung addieren. Diese Spannung ist derart einstellbar, dass Effektivwerte, Asymmetrien und Oberwellen geregelt bzw. korrigiert werden können. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vermeidung von Resonanzen mittels dieser Vorrichtung.The invention relates to a device for improving the voltage quality of a low-voltage distribution network. The device consists of a three-phase feed-in transformer whose primary windings are connected in series between a three-phase input and a three-phase output, a bidirectional three-phase inverter, a three-phase rectifier, a DC link for connecting the rectifier to the inverter, a circuit for compensating the midpoint of the DC link, and a connection for connecting an energy storage device. The inverter can add a voltage to a voltage present at the input via the feed-in transformer. This voltage is adjustable such that effective values, asymmetries, and harmonics can be regulated or corrected. The invention further relates to a method for avoiding resonances using this device.

Description

Technisches Gebiet:Technical area:

[0001] Die Erfindung betrifft die Spannungsqualitätsverbesserung in Niederspannungsverteilnetzen [0001] The invention relates to voltage quality improvement in low-voltage distribution networks

Stand der Technik:State of the art:

[0002] Die Betriebssituation in Niederspannungsverteilnetzen ist einem starken Wandel unterworfen. Ursprünglich wurde die elektrische Energie zentral in Grosskraftwerken erzeugt und über das Übertragungs- und Verteilnetz den Konsumenten zugeführt. Die Lasten wiesen grösstenteils lineares Verhalten auf, vorwiegend ohmsch und induktiv. Für die Spannungsqualität war dies eine vorteilhafte Situation. In den vergangenen Jahren ist die Anzahl elektronischer Lasten und Quellen stark gestiegen. Das nichtlineare Verhalten - von z.B. geregelten Antrieben und anderen netzseitigen Wechselrichter-Topologien - verursacht Oberwellenströme, und diese beeinträchtigen die Spannungsqualität. Jede netzseitige Leistungselektronik verändert in einem Verteilernetz die Impedanzverhältnisse. [0002] The operating situation in low-voltage distribution grids is undergoing significant change. Originally, electrical energy was generated centrally in large power plants and supplied to consumers via the transmission and distribution grid. Loads exhibited largely linear behavior, predominantly resistive and inductive. This was a favorable situation for power quality. In recent years, the number of electronic loads and sources has increased significantly. The nonlinear behavior—of, for example, controlled drives and other grid-side inverter topologies—causes harmonic currents, which impair power quality. Any grid-side power electronics changes the impedance ratios in a distribution grid.

[0003] Auch ist der Energiefluss heute nicht mehr auf eine Richtung beschränkt. Die Anzahl der dezentralen Einspeisungen, vor allem durch Photovoltaik, wird weiter zunehmen. Eine Entwicklung, die durchaus gewollt ist. Durch den bidirektionalen Betrieb wird es zunehmend schwieriger,die Spannung in den zulässigen Toleranzgrenzen zu halten. [0003] Furthermore, the flow of energy is no longer limited to one direction. The number of decentralized feed-ins, especially through photovoltaics, will continue to increase. This development is certainly desirable. Due to bidirectional operation, it is becoming increasingly difficult to keep the voltage within the permissible tolerance limits.

[0004] Am Markt sind Transformatoren mit Anzapfungen erhältlich, die die Spannung zwar in Stufen anpassen können, aber weder Asymmetrien noch Oberwellen kompensieren können. Eine typische Ursache von Asymmetrien kann zum Beispiel eine einphasige PV-Einspeisung darstellen. Dies kann mit einem solchen Transformator nicht behoben werden. Fernerhin war die Erweiterung und Ausbau der Netzsysteme seitens der Energielieferanten eine traditionelle Möglichkeit, diese Verteilnetzspannung zu stabilisieren. In elektronischer Form stehen u.a. mit Thyristor geschaltete Stufenschalter zur Verfügung. Alle weiteren technischen Lösungen, die nach aktuellem Kenntnisstand erhältlich sind, können nur den Spannungseffektivwert korrigieren. [0004] Transformers with taps are available on the market. These can adjust the voltage in steps, but cannot compensate for asymmetries or harmonics. A typical cause of asymmetries can be, for example, a single-phase PV feed-in. This cannot be remedied with such a transformer. Furthermore, the expansion and development of grid systems by energy suppliers has traditionally been a way to stabilize this distribution grid voltage. Thyristor-switched tap changers, among others, are available in electronic form. All other technical solutions available according to current knowledge can only correct the effective voltage value.

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

[0005] Die grundlegende Aufgabe der Erfindung ist die Kombination aller drei Kompensationsmöglichkeiten der Netzspannung: • Regelung des Effektivwertes der Netzspannung auf den gewünschten Sollwert • Reduktion der Spannungsasymmetrien, verursacht durch grosse, einphasige Verbraucher (z.B. einphasige E-Ladestationen oder einphasige PV-Anlagen,) • Kompensation der Spannungsoberwellen nichtlinearer Erzeuger und/oder Verbraucher[0005] The basic objective of the invention is to combine all three compensation options for the grid voltage: • Control of the effective value of the grid voltage to the desired target value • Reduction of voltage asymmetries caused by large, single-phase consumers (e.g. single-phase e-charging stations or single-phase PV systems) • Compensation of voltage harmonics of non-linear generators and/or consumers

[0006] Hierbei ist es eine besondere Herausforderung .einen Regelalgorithmus und eine Hardware zu entwickeln, die einerseits die Netzimpedanzverhältnisse nicht verändert und andererseits keine Risiken für Resonanzen im Verteilnetz erzeugt. Das Verteilnetz und seine Verbraucher dürfen zu keinem Zeit- und Betriebspunkt von dem elektronischen Spannungsregler in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden, was typischerweise Leitungselektronik wie Aktivfilter in Verteilernetzen verursacht. [0006] A particular challenge here is to develop a control algorithm and hardware that, on the one hand, does not alter the network impedance conditions and, on the other hand, does not create any risk of resonance in the distribution network. The functionality of the distribution network and its consumers must not be impaired at any time or during operation by the electronic voltage regulator, which is typically caused by line electronics such as active filters in distribution networks.

Darstellung der Erfindung:Description of the invention:

[0007] In Abbildung 1 ist die grundsätzliche Idee des elektronischen Spannungsreglers vereinfacht dargestellt. Dabei wird ein Einspeisetransformator zwischen das asymmetrische [0007] The basic idea of the electronic voltage regulator is shown in simplified form in Figure 1. A feed-in transformer is connected between the asymmetric

[0008] Netz und das zu korrigierende Netz geschaltet. Mittels einer Leistungselektronikschaltung wird eine Spannung UInv über diesem Einspeisetransformator erzeugt, die in Phase zur Eingangsspannung UUnb ist. Addiert zu dieser Eingangsspannung ergibt sich ein balanciertes Dreiphasensystem mit einer einstellbaren Spannung UBal. Hierbei werden nicht nur der Effektivwert und Asymmetrien korrigiert, sondern auch Spannungsoberwellen reduziert. [0008] The grid and the grid to be corrected are connected. A power electronics circuit generates a voltage UInv across this feed-in transformer that is in phase with the input voltage UUnb. Added to this input voltage, a balanced three-phase system with an adjustable voltage UBal results. This not only corrects the effective value and asymmetries, but also reduces voltage harmonics.

[0009] Die Energie für die Regelung wird mit einem bidirektionalen Gleichrichter von der Eingangsseite bezogen. Da der Einspeisetransformator in Reihe zu den Verbrauchern geschaltet wird, fliesst über den Wechselrichter ein eingeprägter Ausgangsstrom, der über das Übersetzungsverhältnis n proportional zum Phasenstrom ist. [0009] The energy for the control is drawn from the input side via a bidirectional rectifier. Since the feed-in transformer is connected in series with the loads, an impressed output current flows through the inverter, which is proportional to the phase current via the transformation ratio n.

Vorteil:Advantage:

[0010] Durch diese Lösung können alle drei Korrekturmassnahmen stufenlos mit einer Soft-und Hardwarekomponente zur einfachen und schnellen Verbesserung der Niederspannungsverteilnetze ausgeführt werden. Aufgrund der flexiblen Ausführung dieser Hardware kann das System auch mobil in Niederspannungsverteilnetzen für eine temporäre Aufstellung eingesetzt werden. Bei festen Ortsregeltransformatoren und baulichen Massnahmen des Netzausbaus ist dies nicht möglich. [0010] This solution allows all three corrective measures to be implemented seamlessly using a single software and hardware component for simple and rapid improvement of low-voltage distribution networks. Due to the flexible design of this hardware, the system can also be used in mobile low-voltage distribution networks for temporary installation. This is not possible with fixed local control transformers and structural measures for grid expansion.

[0011] Das Grundprinzip dieser Erfindung kann auch einfach auf Mittelspannungsebene übertragen werden, indem die primäre Einspeiseseite direkt auf die Mittelspannungsebene geschaltet wird und die Regelung auf der Niederspannungsseite sekundärseitig gemacht wird, wie es genau mit diesem Konzept realisiert wurde. [0011] The basic principle of this invention can also be easily transferred to the medium voltage level by connecting the primary feed-in side directly to the medium voltage level and making the control on the low voltage side secondary, as was exactly realized with this concept.

Abbildungen:Illustrations:

[0012] [1] Grundprinzip des elektronischen Spannungsreglers EVOCDTR [2] Korrektur des asymmetrischen Netzes [3] Vereinfachtes einphasiges Schema und Kurvenform [4] Spannungsoberwellen vor und nach der Kompensation [5] Einphasige Einspeisung mit Oberwellen [6] Übersicht von intelligenten Verteilnetzen mit dem elektronischen Spannungsregler [7] Blockdiagramm der Hauptkomponenten [8] Detaildarstellung möglicher Hardwarekomponenten [9] Regelstruktur Wechselrichter [10] Regler Übertragungsfunktion [11] Regelstruktur Mittelpunktsausgleich[0012] [1] Basic principle of the electronic voltage regulator EVOCDTR [2] Correction of the asymmetric network [3] Simplified single-phase scheme and waveform [4] Voltage harmonics before and after compensation [5] Single-phase feed-in with harmonics [6] Overview of intelligent distribution networks with the electronic voltage regulator [7] Block diagram of the main components [8] Detailed representation of possible hardware components [9] Control structure of the inverter [10] Controller transfer function [11] Control structure of the midpoint compensation

Detaillierte Beschreibung der Erfindung (Lösungsansatz):Detailed description of the invention (solution approach):

[0013] Mittels einer Leistungselektronik wird über einen seriellen Einspeisetransformator die Spannung beeinflusst. Das Prinzipschema in Abbildung 1 zeigt die Idee. Die Spannung UBalsoll auf einen definierten Wert geregelt werden, sodass am Ausgang ein symmetrisches und möglichst oberwellenfreies Dreiphasennetz zur Verfügung gestellt wird. Zur ungeregelten Eingangsspannung UUnbwird über einen Einspeisetransformator in Reihe die notwendige Spannungsdifferenz addiert, bzw. subtrahiert. Die benötigte Spannung wird mit einem Wechselrichter erzeugt. Dieser muss eine sehr effiziente Regelstruktur aufweisen, damit auch Spannungsoberwellen ausgeregelt werden können. Es wird also nicht lediglich der Effektivwert der Spannung angepasst, sondern der Momentanwert innerhalb einer Netzperiode korrigiert. [0013] The voltage is influenced by power electronics via a series feed-in transformer. The schematic diagram in Figure 1 illustrates the idea. The voltage UBsoll is to be regulated to a defined value so that a symmetrical and, if possible, harmonic-free three-phase network is provided at the output. The necessary voltage difference is added or subtracted from the unregulated input voltage UUnb via a feed-in transformer in series. The required voltage is generated by an inverter. This must have a very efficient control structure so that even voltage harmonics can be regulated. Thus, not only the effective value of the voltage is adjusted, but the instantaneous value within a network period is corrected.

[0014] Für diese Spannungskorrektur muss eine gewisse Leistung zur Verfügung gestellt werden. Diese wird direkt von der ungeregelten Seite über eine aktive und leistungsbidirektionale Gleichrichterschaltung bezogen. [0014] For this voltage correction, a certain amount of power must be provided. This power is drawn directly from the unregulated side via an active and power-bidirectional rectifier circuit.

[0015] Eine der Hauptherausforderungen ist die Implementation einer geeigneten Regelstruktur inklusive der notwendigen genauen Spannungs- und Strommessungen. Mit dem realisierten Aufbau konnten die Effektivwerte der drei Phasenspannungen individuell um 10 % nach unten oder nach oben angepasst werden. Andere Korrekturbereiche sind abhängig vom Hardwaredesign möglich. Abbildung 2 zeigt Messdaten für eine asymmetrische Netzsituation. [0015] One of the main challenges is the implementation of a suitable control structure, including the necessary precise voltage and current measurements. With the implemented setup, the effective values of the three phase voltages could be individually adjusted upwards or downwards by 10%. Other correction ranges are possible depending on the hardware design. Figure 2 shows measurement data for an asymmetric grid situation.

[0016] Zudem konnten mit dem Funktionsmuster die Spannungsoberwellen bis zur 13. Harmonischen deutlich gesenkt werden, wie auch in Abbildung 3 aufgezeigt. Die Ordnung der zu kompensierenden Oberwellen ist vom Hardwaredesign abhängig. Eine mögliche Realisierung ist in Abbildung 8 dargestellt. Anstatt eines zweistufigen Gleich- bzw. Wechselrichters können auch mehrstufige Topologien eingesetzt werden, solange diese bidirektional sind. Notwendige Netzfilter sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. [0016] Furthermore, the functional model significantly reduced voltage harmonics up to the 13th harmonic, as shown in Figure 3. The order of the harmonics to be compensated depends on the hardware design. A possible implementation is shown in Figure 8. Instead of a two-stage rectifier or inverter, multi-stage topologies can also be used, as long as they are bidirectional. Necessary line filters are not shown for simplicity.

Claims

1. A device for improving the voltage quality of a low-voltage distribution network, the device comprising: • a three-phase input and a three-phase output, • a feed-in transformer with three primary windings and three secondary windings, the primary windings each connected in series between the input and the output, • a bidirectional three-phase inverter, • a bidirectional three-phase rectifier, • a DC link having a midpoint for connecting the rectifier to the inverter, • a circuit for compensating the midpoint of the DC link, • a connection for connecting an energy storage device to the DC link, characterized in that • the inverter is configured to add a three-phase voltage Ulnv to a three-phase input voltage UUnb present at the input via the feed-in transformer, so that a three-phase output voltage UBal is present at the output, and • that the voltage Ulnv is adjustable such that o effective values the output voltage UBal can be regulated, o asymmetries in the input voltages UUnb can be corrected, and o harmonic waves of the input voltage UUnb or the output voltage UBal can be compensated.

2. A method for avoiding resonances in a low-voltage distribution network using the device according to claim 1, comprising the following steps: • Controlling the DC component of the output currents of each of the three phases of the inverter to zero, • Controlling the midpoint of the DC link to a first setpoint, • Controlling the fundamental wave in each of the three phases of the output voltage UBal to a second setpoint, • Controlling each harmonic to be compensated in each of the three phases of the output voltage UBal, • Controlling the effective value for each individual phase of the output voltage UBal

3. Method according to claim 2, wherein the possibility of storing energy is provided in order to compensate for local overvoltages in the low-voltage distribution network.