Entwicklung eines schnelltaktenden Stromrichters für die Netzimpedanzanalyse im Frequenzbereich bis 10 kHz

Knop, André

Für eine zuverlässige Energieversorgung ist die gegenseitige Beeinflussung der vorhandenen Geräte (Energieerzeuger und -verbraucher) auf ein Maß zu reduzieren, dass es zu keinen Funktionsstörungen der Geräte kommt. Nahezu jedes Gerät erzeugt Oberschwingungsströme, die über der Netzimpedanz in eine Oberschwingungsspannung resultieren und somit andere Geräte im Netz in deren Funktion negativ beeinflussen. Eine Quantifizierung der Beeinflussung ist nur durch Kenntnis der frequenzabhängigen Netzimpedanz möglich. In dieser Arbeit wird ein Messsystem für die frequenzabhängige Netzimpedanzbestimmung vorgestellt. Aufbauend auf das Verfahren der monofrequenten Messstromerzeugung für die Netzimpedanzbestimmung wird ein neuartiger Messstromgenerator in dieser Arbeit beschrieben und als Prototyp aufgebaut. Mit diesem ist es möglich, monofrequente Ströme bis zu Frequenzen von 10 kHz zu erzeugen und in das Energienetz einzuspeisen. Für den Betrieb dieses Stromrichters am Netz ist die Regelung des Grundschwingungsstromes und des Messstromes notwendig. Dazu werden Regelungsverfahren auf ihre Eignung und Realisierbarkeit der Messstromregelung vorgestellt. Diese Arbeit zeigt auf, dass die indirekte Stromregelung nach dem aktuellen Stand der Technik nicht realisierbar ist. Hingegen bietet die direkte Stromregelung genügend Dynamik, um den Messstrom bis zu einer Frequenz von 10 kHz in das Netz einzuprägen. Für die praktische Umsetzung des Messstromgenerators wird bei dessen Auslegung auf die speziellen Eigenschaften der Messstromeinprägung eingegangen. So wird u.a. die durch die Messstromerzeugung resultierende Spannungsschwankung im Zwischenkreis analytisch hergeleitet. Abschließend wird die Nutzbarkeit des Messstromgenerators mit dem Netzimpedanzmessverfahren untersucht und dessen Messergebnisse diskutiert. Dazu werden Messungen am Niederspannungsnetz durchgeführt, welche die gute Qualität und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse verifiziert. Ansätze zur Interpretation der Messergebnisse runden die Arbeit ab.

For a sustainable and reliable energy distribution the interaction of grid-connected energy feeders and loads should be reduced to a level whereas no critical interference occurs between the electrical devices. Due to a non-negligible grid impedance current harmonics generated by grid-connected power electronic devices affect the grid-voltage waveforms. The resultant non-ideal grid-voltage waveforms have a negative effect to the functionality of grid-connected devices. Thus, one key parameter to quantify the aforementioned interference effects is the frequency depended grid-impedance. This work presents a system to measure the frequency-dependent grid-impedance. The measurement system is based on mono-frequent current injection by using a novel measurement current generator. A prototype of this current generator is presented in this work. The proposed measurement system is able to feed harmonic currents into the public distribution grid up to a maximum frequency of 10 kHz. For grid-connected operation of the proposed measurement system the fundamental and the measured currents have to be controlled. Different control approaches are introduced and their applicability and feasibility for the proposed measurement system are discussed. The study reveals that the indirect current control concept at the current state of the art is not feasible to the measurement system. In contrast to that, the direct current control approach ensures enough dynamics to feed-in harmonic currents up to a maximum frequency of 10 kHz. To design a prototype of the measurement system special aspects of the harmonic current injection, like the resultant DC-link voltage variations, are considered and supported by analytical analysis. To conclude the analysis the usability of the system to measure the frequency-dependent grid-impedance is discussed by presenting different measurement results. These measurements are carried out at the low-voltage grid and verify the high quality and reproducibility of the grid-impedance measurements. The work is completed by introducing different approaches for the interpretations of the measurements.

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Knop, André: Entwicklung eines schnelltaktenden Stromrichters für die Netzimpedanzanalyse im Frequenzbereich bis 10 kHz.

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