Open loop vs. Closed Loop Regelung von aktiven Filtern

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Joachim Heck
Open loop vs. Closed Loop Regelung von aktiven Filtern
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Neben dem Netzanschlusspunkt (siehe Artikel: Anschlusskonfigurationen) ist die Position des Stromwandlers (CT) zur Erfassung der Führungsgröße des aktiven Filters ein wesentlicher Punkt, der das Verhalten des aktiven Filters maßgeblich beeinflussen kann. Hier können zwei grundsätzliche Varianten unterschieden werden. Ausgehend von der Position des Stromwandlers wird zwischen dem Open-Loop-Betrieb (lastseitiger Anschluss) und dem Closed-Loop-Betrieb (netzseitiger Anschluss) unterschieden.

Open-Loop Modus

Abbildung 1 – Open-Loop Betriebsmodus

In der Open-Loop-Konfiguration wird die Führungsgröße hinter dem Anschlusspunkt des Filters zwischen Filter und Last bestimmt. Sie wird als Open-Loop Operation Mode bezeichnet, da der Filter nur den Laststrom und nicht das Kompensationsergebnis aus Kompensationsstrom und Laststrom sieht. Diese Betriebsart wird hauptsächlich für einzelne spezifische Verbraucher mit hohen Netzrückwirkungen (z.B. hohe Oberschwingungsströme) verwendet. Sie ist die einfachste und robusteste Form der Regelung, da das Filter nur den tatsächlichen Laststrom als Führungsgröße betrachtet, um einen entsprechend invertierten Kompensationsstrom zu erzeugen.

Je nach Auslegung, Regelverfahren und Regelgeschwindigkeit können aktive Filter in dieser Konfiguration auch als Störer im Netz wirken, da sie das tatsächliche Kompensationsergebnis nicht berücksichtigen und damit Instabilitäten verursachen. Bei größeren Anlagen mit einer Vielzahl von Störquellen können zudem durch die begrenzte Ausrichtung auf einzelne Verbraucher schnell hohe Kosten durch den hohen Filterbedarf entstehen.

Closed Loop Modus

Abbildung 2 – Closed Loop Betriebsmodus

In dieser Konfiguration wird die erforderliche Führungsgröße vor dem Anschlusspunkt des aktiven Filters, zwischen Filter und Quelle z.B. auf der Niederspannungsseite an der Sammelschiene der Trafostation, ermittelt. Dem aktiven Filter steht somit die Summe aus Kompensations- und Laststrom zur Verfügung. Da der Filter in dieser Konfiguration auf Basis des Gesamtergebnisses (Last + Kompensation) arbeitet, wird diese Variante als Closed-Loop-Operation Mode bezeichnet. Durch das Schließen des Regelkreises kann der aktive Filter auf Basis seines tatsächlichen Kompensationsergebnisses arbeiten und Abweichungen im Regelergebnis berücksichtigen und korrigieren.

Grundsätzlich ist der Closed Loop Operation Mode dem Open Loop Operation Mode vorzuziehen, da er die natürlich auftretenden Fehlerkomponenten (z.B. Messfehler, Synchronisationsfehler,..) im Rahmen der Regelung automatisch kompensieren kann. Problematisch kann dieser Betriebsmodus vor allem in Schwachlastszenarien werden, in denen nur ein minimaler Laststrom fließt. In diesen Situationen kann es vorkommen, dass der aktive Filter an seinem Stromwandler nicht mehr zwischen Last-, Kompensations- und Grundstrom des aktiven Filters unterscheiden kann. Das Grundrauschen des Netzes kann zu einer ungewollten Anregung und Schwingung des aktiven Filters führen. Insbesondere der Parallelbetrieb mehrerer aktiver Filter an einem Netzabschnitt ist in diesem Zusammenhang häufig problematisch.

Da aktive Filter aktive Netzteilnehmer sind (siehe Artikel: Grundlagen aktiver Filter) die hochdynamische Blindströme generieren und ins Netz einspeisen, ist ein ganzheitliches Monitoring und Management dringend erforderlich. Jedes Filter beeinflusst die Netzcharakteristik und kann neben einem Beitrag zur Verbesserung immer auch zur Instabilisierung des Versorgungsnetzes beitragen (z.B. Wechselwirkungen, Schwingkreise).