Netzadaptive Regelung und Aktiv-Filter Funktionalität von Netzpulsstromrichtern in der ...

361 Pages·2015·9.06 MB·English

Netzadaptive Regelung und Aktiv-Filter
Funktionalität von Netzpulsstromrichtern in
der regenerativen Energieerzeugung

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
(Dr.-Ing.)

der Technischen Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
vorgelegt von

Dipl.-Ing. Nils Hoffmann

Halle/Saale
2015
gefördert durch:
Diese Arbeit wurde gefördert durch das Zukunftsprogramm Wirtschaft (2007-2013) mit
Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und Mitteln des Minis-
teriums für Wissenschaft, Wirtschaft und Verkehr des Landes Schlewig-Holsteins.
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Der Autor kann über http://ibrhoffmann.de kontaktiert werden.
© 2015 Nils Hoffmann
Alle Rechte vorbehalten.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-
bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de ab-
rufbar.
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs
2. Gutachter: Prof. Frede Blaabjerg, Ph.D.
3. Gutachter: Prof. Marian P. Kazmierkowski, Ph.D., Dr.Sc.
Datum der mündlichen Prüfung: 01.12.2014
Meine „Weisheit“ unterliegt einem Lernprozess, der andauert, solange ich lebe. Also habe
ich nichts Endgültiges zu sagen. Weil wir aber in dieser Welt nicht so bleiben dürfen, wie
wir sind, stelle ich meine Erkenntnisse zur Diskussion. Und weil ich meine Erfahrungen
immer wieder gemacht habe, erzähle ich sie immer wieder. Sie lassen sich nicht in Käst-
chen stecken, auf Kapitel verteilen. So wie die Welt ein ganzes ist, sind Erfahrungen nicht
zerlegbar.
Reinold Messner, 2010
aus „Berge versetzen – Das Credo eines Grenzgängers“
Sechste Auflage, 2010
ISBN 978-3-8354-0591-2

Danksagung I
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbei-
ter am Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe an der Technischen Fa-
kultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Die dieser Arbeit zugrundeliegenden
Untersuchungen wurden im Rahmen des Zukunftsprogramms Wirtschaft (2007-2013) mit
Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und Mitteln des Minis-
teriums für Wissenschaft, Wirtschaft und Verkehr des Landes Schleswig-Holsteins durch-
geführt. Darüber hinaus bestand über den gesamten Bearbeitungszeitraum eine enge Zu-
sammenarbeit in Form einer Projektbegleitung mit den Industriepartnern Danfoss Power
Electronics A/S (Dänemark), Danfoss Solar Inverters A/S (Dänemark), Danfoss VLT
Drives (U.S.A.), KK-Electronic A/S (Dänemark) und Converteam GmbH (Deutschland).
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs, welcher mir die Mög-
lichkeit zur Promotion eröffnet hat. In den nunmehr fünf Jahren der intensiven Zusammen-
arbeit hat er mich immer wieder durch Diskussionen sowohl wissenschaftlicher als auch
praktischer Aspekte der Leistungselektronik und elektrischen Antriebstechnik unterstützt.
Ferner möchte ich ihm für die Bereitstellung der hervorragenden Lehrstuhl- und Laborinf-
rastruktur danken. Ich möchte mich zudem herzlich bei Prof. Dr. Frede Blaabjerg (Aalborg
Universität, Dänemark) und bei Prof. Dr. Kazmierkowski (Technische Universität War-
schau, Polen) für die Übernahme der Koreferate bedanken.
Weiterhin gebührt den Begleitern aus der Industrie mein tiefer Dank für die vielen kriti-
schen Nachfragen, die konstruktiven Gespräche und die praktischen Hinweise während der
vielen Projekttreffen. Diesbezüglich möchte ich mich besonders bei Dr. Lucian Asiminoaei
(Danfoss Solar Inverters A/S), Dr. Paul B. Thoegersen (KK-Electronic A/S), Jesper R.
Rosholm (Danfoss Power Electronics A/S), Helmut Jebenstreit (Converteam GmbH) und
bei Dr.-Ing. Jörg Janning (Converteam GmbH) bedanken. Zudem möchte ich mich bei
Charles J. Romenesko (Danfoss VLT Drives), Dr. Michael C. Harke (Danfoss VLT
Drives), Dr. Steffan Hansen (Danfoss Solar Inverters A/S) und bei Dr.-Ing. Martin Janßen
(Converteam GmbH) für die Unterstützung im Rahmen der verschiedenen durchgeführten
Kooperationsprojekte bedanken.
Während meiner Arbeit am Lehrstuhl ergab sich wiederholt die Möglichkeit mit anderen
Forschungsinstituten zu kooperieren. In diesem Zuge möchte ich mich besonders bei Prof.
Dr. Robert D. Lorenz (University of Wisconsion-Madison, USA), Prof. Dr. Marco Liserre
(Aalborg Universität, Dänemark) und Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann (Universität
Magdeburg) bedanken. Zudem möchte ich meinen besonderen Dank Herrn Prof. Dr.-Ing.
Dr.-Ing. h.c. (i.R.) Dierk Schröder (Technische Universität München) aussprechen, wel-
cher mir die Möglichkeit gab, ein Kapitel zu indirekten Stromregelverfahren von Dreh-
feldmaschinen in der Neuauflage des Buches „Elektrische Antriebe – Regelung von An-
triebssystemen“ beizutragen.
Ich möchte mich für das konstruktive und freundschaftliche Arbeitsklima bei allen ehema-
ligen Kollegen des Lehrstuhls bedanken. Besonders hervorheben möchte ich hierbei die
Kollegen des Regelungstechnik-Teams: Dr.-Ing. Jörg Dannehl, Dr.-Ing. Sönke Thomsen
und Jan Reese. Die vielen fachlichen Diskussionen und kritischen Nachfragen haben meine
wissenschaftliche Arbeit stets bereichert. Darüber hinaus möchte ich mich bei Bernd
Doneit, Petra Bekendorf, Fabian Gebhardt, Dr.-Ing. Jens Schröder, Dr.-Ing Christian Wes-
sels, Matthias Böttcher und bei Ralf Lohde für die vielfältige Unterstützung bedanken.
Ich möchte meinen Eltern Heike und Rüdiger Hoffmann meinen tiefen Dank aussprechen,
welche mir überhaupt das Studium ermöglicht haben und mich immer wieder unterstützt
haben. Außerdem möchte ich mich bei meiner Schwester Nadja Hoffmann für das Korrek-
turlesen der Arbeit bedanken.
Einen ganz besonderen Dank möchte ich an meine Frau Ina aussprechen: Du hast mich
immer unterstützt und mir sowohl den nötigen Freiraum als auch einen Ausgleich zur Ar-
beit gegeben. Deine Unterstützung und Liebe waren die Grundlage zum Gelingen dieser
Arbeit.
Halle/Saale, im Dezember 2014.
Nils Hoffmann
Deutsche Kurzfassung III
Deutsche Kurzfassung
Die hohe Durchdringung öffentlicher Energienetze mit zumeist leistungselektronisch an-
gebundenen regenerativen Energieerzeugungsanlagen (kurz: EZAs) führt zu einem Wandel
der Energieerzeugung. Die Netzimpedanz stellt dabei einen Schlüsselparameter bei der
Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie dar.
In dieser Arbeit wird ein Gesamtkonzept für die Erweiterung der Regelung eines Netzpuls-
stromrichters einer dezentralen EZA um die Adaption variierender ohmsch-induktiver
Netzimpedanzen (kurz: netzadaptive Regelung) und einer zusätzlichen Aktiv-Filter Funk-
tionalität (kurz: AFF) entwickelt, untersucht und unter Laborbedingungen validiert.
Für die Detektion der äquivalenten Netzparameter werden zwei Verfahren berücksichtigt:
(1) Die Messung der Netzimpedanz durch die Einspeisung eines interharmonischen Ober-
schwingungsstromes und (2) die Schätzung der Netzimpedanz mittels eines Erweiterten
Kalman-Filters. Die Analysen dieser Detektionsverfahren zeigen, dass sich die Messung
der Netzimpedanz durch eine hohe Detektionsgenauigkeit und die Schätzung der Netzim-
pedanz durch eine hohe Detektionsgeschwindigkeit auszeichnet. Diese Erkenntnis führt zu
der Entwicklung eines kombinierten Identifikationskonzeptes, welches die Detektion der
Netzparameter in Echtzeit und mit minimaler Systemanregung ermöglicht.
Das kombinierte Identifikationskonzept dient als Grundlage für die Entwicklung eines
netzadaptiven Regelungskonzeptes eines Netzpulsstromrichters mit netzseitigem LCL-
Filter. Auf der Grundlage einer detaillierten Modellierung der Regelstrecke in einem rotie-
renden (dq) Koordinatensystem wird ein zeitdiskreter Stromregler mit idealerweise voll-
ständiger Entkopplung der nieder- und hochfrequenten Verkopplungsdynamiken von LCL-
Filtern entworfen. Es wird ein auf einer Sollwertfilterung basierendes aktives Dämpfungs-
netzwerk entwickelt und um eine Adaption variierender Netzparameter erweitert. Die ex-
perimentellen Untersuchungen zeigen, dass die entwickelte netzadaptive Regelung insbe-
sondere bei sprunghaften Änderungen der Netzimpedanz zu einer Erhöhung des Stabili-
tätsbereiches führt ohne die Dynamik der gesamten Stromregelung reduzieren zu müssen.
Zudem wird die netzadaptive Regelung um eine AFF erweitert. Die zusätzliche AFF führt
zu einer Reduzierung bzw. vollständigen Kompensation von Spannungsunsymmetrien und
-oberschwingungen am Anschlusspunkt des Netzpulsstromrichters einer dezentralen EZA.
Die theorischen und praktischen Analysen zu der AFF offenbaren, dass eine lastadaptive
Betriebsführung für die Ausnutzung der maximalen Betriebsgrenzen eines Netzpulsstrom-
richters zielführend ist. Hierfür wird ein lastadaptiver Begrenzungsregler entwickelt. Das
neu entwickelte lastadaptive Regelungskonzept zur Umsetzung der AFF führt zu einer
deutlichen Verbesserung der Spannungsqualität am Anschlusspunkt einer regenerativen
und denzentralen EZA.

English Summary V
English Summary
The high penetration of public energy distribution networks with distributed energy pro-
duction units mainly connected through power electronic converters leads to a high utiliza-
tion of the existing grid structures. This trend is mainly driven by the efforts to push elec-
trical power generation toward green and sustainable energy production. In this context the
grid impedance is a key parameter for the generation and distribution of electrical energy.
In this work an overall control concept for the grid impedance adaptive control and an ad-
ditional active-filter functionality of grid-connected PWM converters is proposed, devel-
oped and validated with experimental results.
The detection of equivalent grid parameters is examined using two different methods: (1)
the measurement of the grid impedance by means of inter-harmonic current injection and
(2) the estimation of the grid impedance using an Extended Kalman-Filter. The analysis of
these two methods reveals that measurement of the grid impedance leads to a high detec-
tion precision whereas the estimation of the grid impedance leads to high detection dynam-
ics. This insight motivates the development of a combined identification method that is
able to detect the grid impedance conditions in a real-time manner with minimal system
excitation.
The combined identification method is the basis for the development of a grid impedance
adaptive control concept for grid connected PWM converters with LCL-filters. The control
is based on a detailed model of the control plant in the rotating (dq) reference frame
whereas a discrete current controller with improved decoupling dynamics of both low and
high frequency coupling dynamics of a LCL-filter is proposed. An active damping of the
LCL-filter resonance is achieved using a grid impedance adaptive reference value filter.
The measurement analysis shows that the proposed grid impedance adaptive control is able
to guarantee stable converter operation with high control performance in the presence of
step-wise grid impedance changes without the need of decreasing the current control dy-
namics.
In addition to high performance current control and grid impedance detection capability,
the grid impedance adaptive control is superimposed with an active-filter functionality.
The active-filter functionality leads to a mitigation or compensation of voltage-unbalances
and lower-order voltage-harmonics at the grid-connection point of the renewable energy
system. The analysis of the active-filter functionality motivated the development of the
load adaptive operation point controller to utilize the maximum capability limits of the
grid-connected converter. A measurement analysis validates the proposed control concept
and demonstrates that a considerable voltage quality improvement is achieved by the addi-
tional active-filter functionality.