DE102007016140A1

DE102007016140A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen eines für 4-Leiter-Netze ausgelegten Wechselrichters beim Auftreten von Spannungs-Unsymmetrien

Info

Publication number: DE102007016140A1
Application number: DE102007016140A
Authority: DE
Inventors: Jörg Jahn
Original assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Institut fuer Solare Energieversorgungstechnik ISET
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-31
Also published as: DE102007016140B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen (Ui) eines für ein 4-Leiter-Netz (2) Wechselrichters (1) beim Auftreten von Spannungs-Unsymmetrien im Netz (2) beschrieben. Für die Regelung werden zwei Regelzweige vorgeschlagen. In einem ersten Regelzwei wird ein symmetrisches Spannungssystem, das durch gleiche Amplituden gekennzeichnet ist, einer konventionellen Vektorregelung unterworfen, während in einem zweiten Regelzweig diejenigen Differenzen berücksichtigt werden, die sich aus Spannungs-Unsymmetrien ergeben und durch Bildung von Differenzen aus den Amplituden des symmetrischen Spannungssystems (Uis) und den Amplituden der Ausgangsspannungen (Ui) erhalten werden. Beide Regelzweige werden zur Bildung von Stellsignalen (UiST-s, UiST-un) verwendet, die zu Gesamtstellsignalen (UiSt) summiert und dann zur Regelung des Wechselrichters (1) verwendet werden (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen eines für ein 4-Leiter-Netz ausgelegten Wechselrichters beim Auftreten von Spannungs-Unsymmetrien im Netz.
Netze der elektrischen Energieversorgung lassen sich in zwei Ebenen, nämlich eine Übertragungsebene und eine Verteilungsebene unterteilen. Auf der Übertragungsebene, die durch hohe Spannungen von z. B. 110 kV und mehr gekennzeichnet ist, wird die elektrische Energie in 3-Leiter-Netzen transportiert. In der zu den Verbrauchern führenden Verteilungsebene wird die elektrische Energie dagegen in einem 4-Leiter-Netz mit Spannungen von z. B. 400 V geführt, wobei zusätzlich zu den drei Phasen ein Null- bzw. Neutralleiter verlegt wird, der den Anschluss von einphasigen Lasten an eine Wechselspannung von z. B. 230 V ermöglicht. Beim Anschluss derartiger einphasiger Lasten kann es zu einem Stromfluss auf dem Neutralleiter und dadurch zu einem zusätzlichen Spannungsabfall entlang des Neutralleiters kommen. Durch diesen Spannungsabfall entstehen Unsymmetrien in den Phasenspannungen, die sich durch eine 100 Hz-Schwingung des Raumzeigers im rotierenden d-, q-Koordinatensystem ausdrücken. Außerdem enthält der Raumzeiger nicht die komplette Information des Spannungssystems, da zusätzlich zum Raumzeiger, der durch die geometrische Addition der Spannungen gemäß den Wicklungsachsen einer elektrischen Maschine gebildet wird, das sog. Nullsystem anfällt, das durch die arithmetische Summe der Phasenspannungen charakterisiert ist.
Bisher bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Regelung der Ausgangsspannungen von Wechselrichtern beziehen sich ausschließlich auf 3-Leiter-Systeme (z. B. Werner Leonard in "Control of Electrical Drives", 2nd Completely Revised and Enlarged Edition, Springer-Verlag, 1996, S. 246 ff sowie Alfred Engler in "Regelung von Batteriestromrichtern in modularen und erweiterbaren Inselnetzen", Dissertation Universität Kassel, 2001, S. 13). Mit einer derartigen, nachfolgend als "herkömmliche Vektorregelung" bezeichnete Regelung können zwar auftretende Unsymmetrien kompensiert werden, doch erfolgt die Regelung ohne Berücksichtigung eines Nullsystems. Auf 4-Leiter-Netze sind die bekannten Verfahren und Vorrichtungen daher nicht anwendbar.
Ausgehend davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von 4-Leiter-Netzen derart vorzuschlagen, dass Spannungs-Unsymmetrien ausgeglichen oder bei Bedarf durch gezieltes Einregeln von unsymmetrischen Zuständen bewusst herbeigeführt werden.
Zur Lösung dieses Problems dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass durch die Bildung eines "virtuellen" symmetrischen Spannungssystems in einem ersten Regelzweig eine konventionelle Vektorregelung angewendet werden kann, während die (geringfügigen) Abweichungen vom symmetrischen Zustand in einem zweiten Regelzweig berücksichtigt und wahlweise zur Herstellung von Wechselrichter-Ausgangsspannungen mit identischen Amplituden oder zur Erzeugung von Ausgangsspannungen verwendet werden, deren Amplituden eine gezielte Unsymmetrie aufweisen. Hervorzuheben ist insoweit allerdings, sich die erfindungsgemäß berücksichtigten Unsymmetrien ausschließlich auf die Amplituden der drei Ausgangsspannungen des Wechselrichters beziehen, während im Hinblick auf die Phasenlagen dieser Ausgangsspannungen vorausgesetzt wird, dass mit ausreichender Genauigkeit die üblichen Phasendifferenzen von 120° und 240° und bis auf die zugelassenen, netzüblichen Frequenzschwankungen eine konstante Frequenz von z. B. 50 Hz vorhanden sind.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenen Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 schematisch den Aufbau eines Unsymmetrie-Reglers der 1;
3 bis 7 schematische grafische Darstellungen von Werten, die für Unsymmetrien innerhalb der Vorrichtung nach 1 charakteristisch sind;
8 einen ersten Abschnitt eines Nullsystem-Analyse-Blocks der Vorrichtung nach 1; und
9 einen zweiten Abschnitt des Nullsystem-Analyse-Blocks.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung für einen Wechselrichter 1 anhand eines Blockschaltbilds. Der Wechselrichter 1 dient beispielsweise zur Einspeisung der von einer PV-Anlage erzeugten elektrischen Energie in ein schematisch angedeutetes Netz 2 mit den drei Phasen L1, L2 und L3 sowie einem Nullleiter N. Der Wechselrichter 1 kann wie üblich z. B. mit sechs Halbleiterschaltern 3 versehen sein, die vorzugsweise als IGBT-Transistoren ausgebildet sind und mit Hilfe einer Stelleinrichtung 4 ein- und ausgeschaltet werden, die z. B. nach Art einer Pulsweitenmodulation ausgebildet ist. Die Stelleinrichtung 4 kann als Bestandteil des Wechselrichters 1 oder auch separat von diesem ausgebildet sein. Wechselrichter 1 dieser Art sind allgemein bekannt (z. B. DE 20 2006 001 063 U1 ).
Die Istwerte U1, U2 und U3 der drei Ausgangsspannungen, jeweils bezogen auf den Nullleiter N, werden bei herkömmlicher Vektorregelung den drei Eingängen eines Reglers 5 zugeführt, in dem sie mit einem an einem weiteren Eingang 6 des Reglers 5 anliegenden Sollsignal verglichen werden, das vorzugsweise die Sollamplitude von ca. 325 V des Netzes 2 aufweist. Der Regler 5 bildet anhand des Sollwerts am Eingang 6 drei im Wesentlichen identische, um je 120° phasenverschobene Stellsignale, die drei Eingängen der Stelleinrichtung 3 zugeführt werden. Das hat bei symmetrischem Verlauf der drei Istspannungen U1, U2 und U3 zur Folge, dass deren Amplituden sämtlich dem Wert von z. B. 325 V besitzen.
Bei Unsymmetrien im Netz 2 bezüglich der Amplituden der drei Spannungen gilt dies nicht mehr. Der Regler 6 würde in diesem Fall bei konventioneller Regelung nur nach einem aus den drei Eingangsspannungen gebildeten Mittelwert regeln. Das würde zur Folge haben, dass alle drei Stellsignale falsch sein können, d. h. nicht zur Netzamplitude führen.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, einen zweiten Regelzweig zu bilden, der parallel zu dem beschriebenen, den Regler 5 aufweisenden, ersten Regelzweig liegt, und in dem ersten Regelzweig einen Satz von symmetrischen Spannungen zu verarbeiten, während der zweite Regelzweig für die Behandlung der Unsymmetrien verwendet wird. Hierzu wird wie folgt vorgegangen.
Es wird zunächst zwischen den Ausgängen des Wechselrichters 1 und den Eingängen des Reglers 6 ein Block 7 vorgesehen, in dem eine Nullsystem-Analyse durchgeführt wird. Der Block 7 enthält drei Eingänge, denen die drei Ist-Spannungen U1, U2 und U3 am Ausgang des Wechselrichters 1 zugeführt werden, und drei Ausgänge, an denen in noch zu beschreibender Weise drei symmetrische Spannungen U1s, U2s und U3s erscheinen, die dieselbe Amplitude und die übliche Phasenverschiebung von je 120° aufweisen. Diese drei Spannungen U1s, U2s und U3s werden den drei Eingängen des Reglers 5 zugeführt und von diesem in bekannter Weise unter Berücksichtigung des Sollwerts am Eingang 6 zu Stellsignalen U1St-s, U2St-s und U3St-s verarbeitet. Nach einem derzeit für am besten gehaltenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird außerdem vorgesehen, die Spannungen U1s, U2s und U3s so zu wählen, dass sie jeweils die größte in den drei Eingangsspannungen U1, U2 und U3 vorkommende Amplitude U_max aufweisen.
In Weiterbildung der Erfindung wird der Block 7 mit drei weiteren Ausgängen a, b und c versehen, an denen die Differenzen zwischen den Amplituden der drei Spannungen U1, U2 und U3 und den Amplituden der zugehörigen Spannungen U1s, U2s und U3s erscheinen. Werden die Amplituden der drei Ist-Spannungen U1 bis U3 mit U ^1, U ^2 und U ^3 bezeichnet, dann erscheint am Ausgang a des Blocks 7 der Wert X'1 = U_max – U ^1, während entsprechend an den beiden anderen Ausgängen b und c die Werte X'2 = U_max – U ^2 und X'3 = U_max – U ^ erscheinen. Die drei Werte X'1, X'2 und X'3 sind somit charakteristisch für die Amplituden-Unsymmetrien zwischen den Spannungen U1, U2 und U3.
Die drei Werte X'1, X'2 und X'3 werden drei Eingängen eines zweiten Reglers 8 zugeführt, der nachfolgend als Unsymmetrie-Regler bezeichnet wird. Dieser Unsymmetrie-Regler 8 ist schematisch in 2 dargestellt. Danach ist jeder Eingang mit einem Vergleicher bzw. Subtraktionsglied 9 verbunden, dem einerseits der betreffende X'1-, X'2- oder X'3-Wert, andererseits ein vorgewählter Sollwert X'1S, X'2S und X'3S zugeführt wird. Das von den Vergleichern 9 ermittelte Differenzsignal wird je einem PI-Regelbaustein 10 zugeleitet, der das Bestreben hat, an seinem Ausgang ein Amplituden-Stellsignal derart zu erzeugen, dass das Differenzsignal am Ausgang des zugehörigen Vergleichers 9 zur Null wird.
An die drei PI-Regelbausteine 10 schließt sich gemäß 2 ein Block 11 an, in dem eine 3-Phasen-Modulation durchgeführt wird. Dieser Block 11 entspricht einer Multiplikation der drei Amplituden-Stellsignale mit den Werten cosωt, cos(ωt – 240°) und cos(ω – 120°), wodurch am Ausgang des Blocks 11 drei Stellwerte U1St-un, U2St-un, U3St-un erscheinen. Diese sind ein Maß für die momentane Amplituden-Unsymmetrie des Netzes, cosinusförmig wie auch die Stellwerte U1St-s bis U3St-s und in der Phase synchron zu den Eingangsspannungen U1 bis U3.
Sollte der zweite Regelzweig Verzögerungen enthalten, kann zusätzlich eine durch den Buchstaben φ in 2 angedeutete Phasenkorrektur vorgenommen werden.
Die Ausgänge des Blocks 11 sind gemäß 1 mit je einem Additionsglied 12 verbunden, an das auch je ein Ausgang des Reglers 5 angeschlossen ist. Dadurch werden Gesamtstellsignale U1St, U2St, U3St mit U1St = U1St-s + U1St-un usw. gebildet, die letztendlich der Stelleinrichtung 4 zugeführt werden. Dadurch wird der Wechselrichter 1 so gesteuert, dass an seinen Ausgängen Spannungen mit den gewünschten Amplituden erscheinen.
Unter "gewünschten" Amplituden wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verstanden, dass die Ausgangsspannungen Ui an den drei Ausgängen des Wechselrichters 1 identische, mit der Netzamplitude übereinstimmende Amplituden aufweisen, d. h. symmetrisch sind, falls alle drei Sollwerte X'1S, X'2S und X'3S (2) Null sind. Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der Vorrichtung ist es aber auch möglich, eine davon abweichende Regelung und, falls gewünscht, auch gezielte Unsymmetrien im Netz 2 vorzusehen. Welche Spannungen Ui am Ausgang des Wechselrichters 1 erhalten werden, hängt daher letztlich von der Größe der dem Unsymmetrie-Regler 8 vorgegebenen Sollwerte X'1S bis X'3S und davon ab, ob diese Sollwerte alle gleich oder unterschiedlich groß gewählt werden.
Für die Ermittlung und richtige Zuordnung der Größen X'1, X'2 und X'3 wird von folgenden theoretischen Grundlagen ausgegangen:
Es sei cosωt = 1/2(e^jωt + e^–jωt). Dann gilt: U1 = U ^1cosωt = 1/2U ^1(ejωt + e–jωt), U2 = U ^2cos(ωt + 240°) = 1/2U ^2[ej(ωt + 4π/3) + e–j(ωt + 4π/3)] = 1/2U ^2[e4π/3·ejωt + e2π/3·e–jωt] = 1/2U ^2(a2·ejωt + a1·e–jωt), und U3 = U ^3cos(ωt + 120°) = 1/2U ^3[ej(ωt + 2π/3) + e–j(ωt + 2π/3)] = 1/2U ^33(a1·ejωt + a2·e–jωt),wenn a1 = e^j2π/3 und a2 = a^j4π/3 gesetzt wird.
Weiter werden zur Vereinfachung der folgenden Betrachtung die Unsymmetriefaktoren Δ1 = U ^1/Umax, Δ2 = U ^2/Umax und Δ3 = U ^3/Umax(ejωt + e–jωt),eingeführt. Unter der oben angegebenen, beispielhaften Voraussetzung, dass für den Symmetriefall die Spannung mit der größten Amplitude verwendet wird, gilt daher U1 = 1/2Δ1Umax(ejωt + e–jωt), U2 = 1/2Δ2Umax(a2·ejωt + a1·e–jωt) und U3 = 1/2Δ3Umax(a1·ejωt + a2·e–jωt).
Schließlich kann das Nullsystem beschrieben werden zu U0 = 1/3(U1 + U2 + U3) = 1/6U ^max[(Δ1 + a2·Δ2 + a1·Δ3)ejωt + (Δ1 + a1·Δ2 + a2·Δ3)e–jωt.
In dieser Gleichung bilden der erste Term das in positiver Richtung, d. h. in Richtung der Frequenz des Netzes umlaufende Mitsystem und der zweite Term das in Gegenrichtung laufende Gegensystem.
Für die weiteren Betrachtungen wird nur das Mitsystem U0 = 1/6U ^max(Δ1 + a2·Δ2 + a1Δ3)ejωt berücksichtigt, und der Wert Δ = Δ1 + a2·Δ2 + a1·Δ3als Unsymmetrievektor verwendet.
Für weitere Berechnungen wird dieser Vektor durch Weglassung des Faktors e^jωt aus dem ruhenden System in ein rotierendes d-, q-System transformiert, in welchem a1 und a2 feste Werte bedeuten. Solange eine Unsymmetrie im Netz konstant ist, ist der Vektor im umlaufenden System nach Betrag und Phasenlage ebenfalls konstant. Ändert sich die Amplituden-Unsymmetrie im Netz, dann ändert sich entsprechend auch der Vektor Δ.
Zur Darstellung des Unsymmetrievektors kann z. B. 3 dienen, in der mit den Pfeilen A, B und C drei um 120° versetzte Achsen eines Koordinatensystems bezeichnet sind. Der Vektor Δ entsteht demnach, wie 4 zeigt, aus den drei Komponenten Δ1, Δ2 und Δ3. Für die Zwecke der Erfindung ist es allerdings günstiger, das Koordinatensystem entsprechend 5 durch Multiplikation mit dem Faktor e^jπ um 180° zu drehen, so dass die Achse A' eine Nullachse, die Achse B', eine im Gegenuhrzeigersinn um 240° gedrehte Achse und die Achse C' eine im Gegenuhrzeigersinn um 120° gedrehte Achse ist. Außerdem wird entsprechend 5 der Raum zwischen den Achsen A' und C' als Sektor I, der Raum zwischen den Achsen B' und C' als Sektor II und der Raum zwischen den Achsen A' und B' als Sektor III bezeichnet. Der Vektor Δ ist in 5 ebenfalls eingezeichnet.

Gemäß der obigen Beschreibung wurde für den Symmetriefall diejenige Spannung Ui verwendet, die die größte Amplitude U_max hat. Daher können sich für den Fall, dass die Amplitude von wenigstens einer der drei Spannungen Ui kleiner als U_max ist, folgende unsymmetrische Verhältnisse ergeben:

Zustand	Δ1	Δ2	Δ3	X1	X2	X3
1	< 1	1	1	0 ... 1	0	0
2	1	< 1	1	0	0 ... 1	0
3	1	1	< 1	0	0	0 ... 1
4	1	< 1	< 1	0	0 ... 1	0 ... 1
5	< 1	1	< 1	0 ... 1	0	0 ... 1
6	< 1	< 1	1	0 ... 1	0 ... 1	0

In dieser Tabelle bedeuten die Koeffizienten X1 = 1 – Δ1, X2 = 1 – Δ2 und X3 = 1 – Δ3, d. h. die Werte Xi geben diejenigen Beträge an, die die Werte Δi zu Eins ergänzen.
Die sich aus den Werten X1, X2 und X3 ergebenden Unsymmetrien können nun dadurch bestimmt werden, dass der Vektor Δ auf jeweils zwei Achsen des Achsensystems nach 5 projiziert wird. Eine Projektion auf die dritte Achse entfällt, weil jeweils eine der Spannungen, insbesondere die größte auftretende Spannung mit der Amplitude U_max, als richtig angenommen wird. Die sich ergebenden Projektionen sind in 6 dargestellt, wobei das Bild a) den Sektor I, das Bild b) den Sektor II und das Bild c) den Sektor III betrifft.
Es lässt sich nun mathematisch zeigen, dass die durch Projektion gemäß 6 erhaltenen Koeffizienten X1, X2 und X3 unter der Voraussetzung genau mit den Werten X_i = 1 – Δi gemäß obiger Tabelle übereinstimmen, dass entweder beide Xi-Werte größer als Null sind oder ein Xi-Wert größer als Null und der andere Xi-Wert gleich Null ist. Aus 6 ergibt sich, dass diese Bedingung nur für den Fall b) erfüllt ist, d. h. in diesem Fall gibt es nur eine richtige Lösung. Dagegen zeigt 7 ein zweites Beispiel, bei dem für die Projektion gemäß a) und c) die obige Bedingung erfüllt ist, da für a) das Wertepaar X1 > 0, X3 = 0 und für c) das Wertepaar X1 > 0, X2 = 0 erhalten wird. Das bedeutet, dass es hier zwei gleichberechtigte Lösungen gibt, die zum gleichen Ergebnis führen.
Aus den Werten X1, X2 und X3 erhält man durch Multiplikation mit U_max die Werte X'i = Umax·Xi = Umax – Ui.
Unter der beispielhaften Voraussetzung, dass U1 = U_max gilt, folgt daraus, dass X'2 und X'3 diejenigen Amplitudenwerte sind, die zur betreffenden Eingangsspannung U1 bzw. U2 addiert werden müssen, um das in 1 gezeigte symmetrische Spannungssystem mit U1s bis U3s zu erhalten, welches mit der konventionellen Vektorregelung im Regler 5 effektiv geregelt werden kann. Andererseits werden die Werte X'i, wie oben beschrieben ist, für die Unsymmetrieregelung im Unsymmetrie-Regler 8 der 1 verwendet. Die Werte X'i haben konstante Größen, solange eine bestimmte Unsymmetrie vorhanden ist, und werden in Block 11 in zeitlich veränderliche Stellsignale umgewandelt, die zu den an den Ausgängen des Reglers 5 erscheinenden, ebenfalls zeitlich veränderlichen Stellsignalen addiert werden.
Für die praktische Durchführung der beschriebenen Maßnahmen wird erfindungsgemäß der als Nullsystem-Analyse bezeichnete Block 7 mit einem Analyseabschnitt 7a (8) und einem Auswertungsabschnitt 7b (9) vorgesehen. Der Analyseabschnitt 7a enthält ein an sich bekanntes, zur Signalaufbereitung verwendetes, für die Zwecke der Erfindung jedoch modifiziertes System (vgl. z. B. Norbert Blacha in "Regelungstechnische Aspekte von digitalen USV-Steuerungen und aktiven Filtern", Workshop 1998 "Simulation komplexer Systeme aus der Mikrosystemtechnik, Leistungselektronik und Antriebstechnik", S. 191 bis 209, insbesondere S. 206, Bild 11). Das bekannte System ist für Signalanalysen (Fourieranalysen) eines Eingangs signals eingerichtet, um die Ordnungen von Oberschwingungen zu betrachten, d. h. ein System auf das Vorhandensein von bestimmten Ordnungen der Oberschwingungen zu untersuchen. Außerdem sind nur zwei rechtwinklig stehende Achsen vorhanden. Erfindungsgemäß wird das System dagegen für drei um 120° versetzte Achsen geeignet gemacht und, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist, zur Ermittlung der Werte X'i verwendet.
Nach 8 enthält der Analyseabschnitt 7a drei Eingänge, denen die Spannungen U1, U2 und U3 zugeführt werden, und eine Addierstufe 14 zur Bildung der mit der Netzfrequenz von z. B. 50 Hz veränderlichen Spannung U0 = U1 + U2 + U3.
Weiter enthält der Analyseabschnitt 7a drei mit Sektor I bis Sektor III bezeichnete Zweige, wobei sich die Sektoren I bis III auf diejenigen der 5 und 7 beziehen. Da alle drei Zweige gleichartig ausgebildet sind, wird nachfolgend nur der zum Sektor I gehörende Zweig näher erläutert.
Die dem Zweig des Sektors I zugeführte Spannung ergibt sich in Cosinus-Schreibweise zu U0 = U ^1cosωt + U ^2cos(ωt – 2/3π) + U ^3cos(ωt + 2/3π).
Diese Spannung wird im oberen Teil des Zweigs zunächst in einem Block 15 mit cos(ωt + π) entsprechend der Achse A' und danach in einem Verstärker 16 mit einem konstanten Faktor multipliziert, bevor sie einem Integrator 17 zugeführt wird. Hier erfolgt eine Aufsummierung mit dem Ergebnis, dass an einem Ausgang 18 des Integrators 17 eine Gleichgröße erscheint, die in 8 mit in1= bezeichnet ist. Parallel dazu wird im unteren Teil des Sektor I-Zweigs entsprechend vorgegangen, jedoch in einem Block 19 eine Multiplikation mit cos(ωt + 5/3II), d. h. mit einer Phasenverschiebung von 60° entsprechend der Achse C' durchgeführt, wodurch nach Verstärkung in einem Verstärker 20 an einem Ausgang 21 eines weiteren Integrators 22 eine mit in2= bezeichnete Gleichgröße erhalten wird.
Die Verstärkungsfaktoren für die Verstärker 16, 22 können durch Probieren ermittelt werden. Kleine Faktoren führen zu einem langsamen, große Faktoren zu einem schnellen System, während zu große Faktoren Störungen zur Folge hätten.
Die erhaltenen Gleichwerte werden in je einem Block 23 bzw. 24 wieder in Wechselgrößen mit einer Netzfrequenz von z. B. 50 Hz und mit Phasenverschiebungen von 180° bzw. 60° umgewandelt, in einem Additionsglied 25 addiert, zu den Eingängen der Blöcke 15, 19 zurückgeführt und dort in einem Subtraktionsglied 26 von der Eingangsspannung U₀ subtrahiert. Dadurch ist das System bestrebt, einen stationären Zustand derart herbeizuführen, dass an den Ausgängen 18, 21 konstante Werte erscheinen, solange ein bestimmter Unsymmetriefall erhalten bleibt. Bei richtiger Dimensionierung der Verstärker 16, 20 führt dies dazu, dass die Ausgangswerte in1= und in2= exakt einem der oben erläuterten Paare von X'i-Werten entsprechen, für den Sektor I also z. B. den Werten X'1 und X'3 in 6.
In gleicher Weise werden in den den Sektoren II und III entsprechenden Zweigen der 8 Ausgangswerte in3= bis in6= erhalten, die an den Ausgängen 27, 28 bzw. 29, 30 erscheinen.
Schließlich werden an Ausgängen 31, 32 der Blöcke 23 und 24 und an Ausgängen 33, 34 bzw. 35, 36 von entsprechenden Blöcken in den beiden anderen Zweigen zeitlich veränderliche Ausgangsspannungen in1~ bis in6~ abgegeben, die Amplituden mit Werten in1= bis in6= aufweisen und Wechselspannungen sind, die den Eingangsspannungen U1 bis U3 hinzugefügt werden müssen, um die symmetrischen Spannungen U1s bis U3s in 1 zu erhalten.
Wie 1 zeigt, weist der Block 7 drei Ausgänge a, b und c auf, an denen die Werte X'i erscheinen sollen. Bevor die Werte in1= bis in6= des Analyseabschnitts 7a diesen Ausgängen a bis c zugeführt werden, muss allerdings noch geprüft werden, welche Wertepaare (z. B. in1=, in2=) die richtigen sind, d. h. ob die erhaltenen Werte in1= bis in6= größer, gleich oder kleiner als Null sind. Außerdem muss entschieden werden, welchen Ausgängen a bis c die als richtig erkannten Werte zugeführt werden müssen.
Diese Überprüfung erfolgt in dem in 9 nach Art eines Flussdiagramms dargestellten Auswertungsabschnitt 7b des Blocks 7, der sechs mit den Ausgängen 18, 21 bzw. 27, 28 bzw. 29, 30 verbundene Eingänge aufweist, denen die Werte in1= bis in6= zugeführt werden. Aus 8 ergibt sich, dass der Block 15 und damit in1= der Achse A' (180° im Gegenuhrzeigersinn) und der Block 19 und damit in2= der Achse C' (60° im Gegenuhrzeigersinn) zugeordnet ist. Entsprechend sind in3= und in4= den Achsen C' und B' und in5=, in6= den Achsen B' und A' zugeordnet. Nicht bekannt ist, für welche Spannungen Ui = U_max und daher X'i = Null gilt und für welche Paare von in= die Bedingung ≥ 0 erfüllt ist.
Gemäß 8 sind die in1= und in2= führenden Ausgänge 18 und 21 mit einer UND-Funktion 38 verknüpft, deren Ausgänge zu je einem Block 39 und 40 führen. Für den Fall, dass sowohl in1= als auch in2= kleiner als Null ist (= falsche Lösung), gibt der Block 39 am Ausgang ein Signal mit dem Wert "0" auf eine Leitung 41. Sind beide in=-Werte größer als Null oder gleich Null, dann gibt der Block 40 ein Signal mit dem Wert "1" auf die Leitung 41.
In entsprechender Weise sind die Ausgänge 27, 28 des Analyseabschnitts 7a mit einer UND-Funktion 42 verknüpft, die zu Blöcken 43 und 44 führt, so dass bei falscher Lösung am Ausgang des Blocks 43 eine "0" und bei richtiger Lösung (in3= ≥ 0 in4= ≥ 0) ein Signal mit dem Wert "2" vom Block 44 auf die Leitung 41 gegeben wird. Schließlich sind die Ausgänge 29, 30 des Analyseblocks 7a mit einer UND-Funktion 45 und an diese angeschlossenen Blöcken 46, 47 versehen, wobei der Block 46 bei falscher Lösung eine "0" und der Block 47 bei richtiger Lösung eine "4" auf die Leitung 41 gibt.
Die in der Leitung 41 erscheinenden Signale werden in einem Additionsglied 48 addiert. Das an dessen Ausgang abgegebene Summensignal kann die Werte 0 bis 7 aufweisen, je nach dem, welche der Blöcke 39, 40 bzw. 43, 44 bzw. 46, 47 die genannten Signale abgeben.
Dem Additionsglied 48 sind schematisch zwei Blöcke 49, 50 nachgeschaltet, die der richtigen Verteilung der von den Blöcken 40, 44 und 47 abgegebenen Signale dienen. Außerdem sind den Blöcken 49 und 50, wie ebenfalls nur schematisch dargestellt ist, Blöcke 51 bis 53 zugeordnet, welche die nachfolgend beschriebene Bedeutung haben.
Da die Werte in1= bis in6= den Werten X'1 bis X'6 entsprechen und X'i = U_max – Xi gilt, müssen für den Fall, dass die Werte Xi größer Null oder gleich Null sind, auch die Werte X'i größer als oder gleich Null sein. Daher kann die Auswertung im Auswertungsabschnitt 7b wie folgt vorgenommen werden.
Es wird der Einfachheit halber zunächst vom Ausführungsbeispiel nach 6 ausgegangen, wonach nur der Sektor II mit X2 > 0 und X3 > 0 relevant ist. Für diesen Fall müssen die Werte in4= und in3= den Werten X'2 ≥ 0 und X'3 ≥ 0 entsprechen, da eine Projektion auf die Achsen B' und C' (Sektor II) in 7 erfolgte. Infolgedessen gibt der Block 44 ein Signal mit dem Wert "2" ab, während die Blöcke 39, 46 jeweils eine "0" abgeben. Da die Summe größer als Eins und kleiner als Vier ist, gibt der Block 50 an seinem Ausgang j ein Signal ab, um dadurch im Block 52 die gewünschte Zuordnung einzuleiten. Im gegebenen Fall entspricht in3= dem Wert X'3 und in4= dem Wert X'2, während gleichzeitig X'1 = 0 gilt. Daher hat die vorgenommene Zuordnung zur Folge, dass in 1 am Ausgang a des Blocks 7 der Wert X'1 = 0, am Ausgang b der Wert X'2 = in4= und am Ausgang c der Wert X'3 = in3= erscheint. Das entspricht dem Beispiel in 6, wo Δ1 = 1 und daher X'1 = 0 vorausgesetzt war.
Für den Fall, dass es zwei richtige Lösungen gibt, wird gemäß 9 jeweils die Gesamtsumme am Ausgang des Additionsgliedes 48 verwendet. Ist diese z. B. "3", dann sind in1= bis in4= ≥ 0, dagegen X'2 = 0 bzw. X'1 = 0. Daher ist die Zuordnung über den Block 52 mit X'1 = 0 genauso richtig, wie eine Zuordnung über den Block 51 mit X'2 = 0 wäre. In jedem Fall liefert der jeweils andere Ausgang in= das Ergebnis, das nicht nur am Ausgang a von 1, sondern auch am Ausgang b eine "0" erscheinen muss.
Entsprechend würde die Zuordnung beim Beispiel der 7 getroffen. Da hier die Gesamtsumme "5" beträgt, würde eine richtige Zuordnung über den Block 53 möglich sein mit X'3 = 0. Alternativ könnte die Zuordnung aber auch über den Block 51 mit X'1 = 0 getroffen werden.
Die möglichen Zuordnungen ergeben sich im übrigen aus 9.
Die Werte X'i werden, wie oben erwähnt ist, dem Regler 8 in 1 zugeführt. Es ist daher nur noch erforderlich, das symmetrische Spannungssystem U1s bis U3s nach 1 zu bilden. Hierzu dienen in 8 die Ausgänge 31 bis 36 der Blöcke 23, 24 usw., an denen mit den Amplituden X'i versehene Wechselsignale X'i~ erscheinen. Die Zuordnung erfolgt analog zu den Amplituden selbst, wie 9 zeigt.
Gemäß 8 sind die Eingänge für die Spannungen U1, U2 und U3 über Additionsglieder 54 fest mit den Ausgängen für die symmetrischen Spannungen U1s, U2s und U3s verbunden. Den Additionsgliedern 54 werden daher mit den aus 9 ersichtlichen Zuordnungen zusätzlich auch die Spannungen X'i~ zugeführt, die sich an den Ausgängen 31 bis 36 der Blöcke 23, 24 usw. ergeben. Dadurch werden den Spannungen U1 bis U3 automatisch diejenigen Spannungen X'i~ hinzugefügt, die benötigt werden, um alle drei Spannungen auf den Wert U_maxcos(ωt + φi) zu bringen, wenn U_max zur Bildung des symmetrischen Werts ausgewählt wird.
Für den Fall, dass die im Additionsglied 48 (9) gebildete Summe dem Wert "7" entspricht, ist keine Zuordnung erforderlich, da alle Ausgänge 0 sind und bereits ein symmetrischer Fall vorliegt.
Die Implementierung der aus 8 und 9 ersichtlichen Abschnitte 7a, 7b kann durch Hardware oder Software erfolgen. Wie 9 zeigt, wird vorzugsweise zumindest die Zuordnung der Ausgänge des Abschnitts 7a rein softwaremäßig vorgenommen. Dabei versteht sich, dass die Achsenlagen bzw. die Cosinus-Werte in 8 auf die Netzspannung abgestimmt sein müssen, d. h. die Frequenzen müssen gleich und die Phasen entsprechend synchronisiert sein. Es wird insofern davon ausgegangen, dass die Ausgangsspannungen Ui des Wechselrichters 1 z. B. bis auf die zugelassenen, netzüblichen Schwankungen genau die Frequenz 50 Hz und Phasenverschiebungen von je 120° aufweisen, so dass nur die Amplituden Unsymmetrien aufweisen können.
Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, müssen in 1 die Sollwerte X'1S, X'2S und X'3S nicht notwendigerweise gleich Null sein. Durch Wahl anderer Sollwerte lassen sich vielmehr gezielt Unsymmetrien am Ausgang des Wechselrichters 1 herstellen.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. Das gilt insbesondere für die im Einzelfall gewählten Mittel zur Durchführung der beschriebenen Regelungen, die ebenfalls vorzugsweise überwiegend durch Software durchgeführt werden. Weiter stellen die Abschnitte 7a, 7b des Nullsystem-Analyse-Blocks 7 lediglich ein bisher als am besten empfundenes Ausführungsbeispiel dar, das in jeder zweckmäßigen Weise verändert werden kann. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202006001063 U1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Werner Leonard in "Control of Electrical Drives", 2nd Completely Revised and Enlarged Edition, Springer-Verlag, 1996, S. 246 ff [0003]
- Alfred Engler in "Regelung von Batteriestromrichtern in modularen und erweiterbaren Inselnetzen", Dissertation Universität Kassel, 2001, S. 13 [0003]
- Norbert Blacha in "Regelungstechnische Aspekte von digitalen USV-Steuerungen und aktiven Filtern", Workshop 1998 "Simulation komplexer Systeme aus der Mikrosystemtechnik, Leistungselektronik und Antriebstechnik", S. 191 bis 209, insbesondere S. 206, Bild 11 [0038]

Claims

Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannungen eines für ein 4-Leiter-Netz (2) ausgelegten Wechselrichters (1) beim Auftreten von Spannungs-Unsymmetrien im Netz (2), enthaltend die folgenden Verfahrensschritte: – Umwandlung der auf einen Nullleiter (N) bezogenen Spannungen (Ui) am Ausgang des Wechselrichters (1) in symmetrische Spannungen (Uis) mit gleicher Amplitude, – Berücksichtigung etwaiger Unsymmetrien durch Bildung von Differenzwerten (X'i) aus den Amplituden der symmetrischen Spannungen (Uis) und den Amplituden (Ui) am Ausgang des Wechselrichters (1), – Bildung von ersten, symmetrischen Stellsignalen (UiSt-s) aus den symmetrischen Spannungen (Uis) unter Berücksichtigung eines vorgewählten Sollwerts für die Amplituden der symmetrischen Spannungen (Uis), – Bildung von zweiten, unsymmetrischen Stellsignalen (UiSt-un) mit Hilfe der Differenzwerte unter Berücksichtigung vorgewählter Sollwerte (X'iS), – Addition der ersten und zugeordneter zweiter Stellsignale zu Gesamtstellsignalen (UiSt), und – Zuführung der Gesamtstellsignale (UiSt) zu einem Stellglied (4) des Wechselrichters (1), um die Amplituden von dessen Ausgangsspannungen (Ui) unabhängig von auftretenden Unsymmetrien auf konstanten Werten zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für die symmetrischen Spannungen (Uis) der Amplitude der Spannungen im Netz (2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte (X'iS) für die Differenzwerte sämtlich Null sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte (X'iS) für die Differenzwerte zumindest teilweise von Null abweichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildung der symmetrischen Spannungen (UiS) jeweils die Amplitude derjenigen Ausgangsspannung (Ui) des Wechselrichters (1) verwendet wird, die die größte Amplitude (U_max) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Bildung eines Nullsystems U_o aus den drei um je um 120° phasenverschobenen Ausgangsspannungen (Ui) des Wechselrichters (1), – Bildung eines Amplituden-Unsymmetrievektors (Δ) unter Berücksichtigung der Amplituden der Ausgangsspannungen (Ui) des Wechselrichters (1), – Definition eines ruhenden Achsensystems mit drei um je 120° verschobenen Achsen (A', B', C') und Transformation des Unsymmetrievektors (Δ) in dieses Achsensystem, – Projektion des Unsymmetrievektors (Δ) auf jeweils zwei der drei Achsen (A', B', C') des Achsensystems unter Bildung von drei Paaren von den Projektionen entsprechenden Gleichwerten (X'i), – Ermittlung derjenigen Paare, deren Gleichwerte (X'i) sämtlich gleich Null oder größer als Null sind, und – Verwendung dieser Paare von Gleichwerten (X'i) für die Bildung der zweiten, unsymmetrischen Stellsignale (UiSt-un).
Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen (Ui) eines für ein 4-Leiter-Netz (2) ausgelegten Wechselrichters (1) beim Auftreten von Spannungs-Unsymmetrien im Netz (2), enthaltend: – einen Nullsystem-Analyse-Block (7) zur Analyse eines aus den drei Ausgangsspannungen (Ui) des Wechselrichters (1) gebildeten Nullsystems unter Bildung eines symmetrischen Spannungssystems mit gleichen Amplituden und von Differenzen (X'i) dieser Amplituden von den Amplituden der Ausgangsspannungen (Ui), – einen ersten Regelzweig (5, 6) zur Bildung von ersten, für das symmetrische Spannungssystem charakteristischen Stellsignalen (UiSt-s), und – einen zweiten Regelzweig (8 bis 11) zur Bidlung von zweiten, für die Differenzen (X'i) charakteristischen Stellsignalen (UiSt-un), und – Additionsglieder (12) zur Addition der ersten Stellsignale (UiSt-s) und diesen zugeordneten der zweiten Stellsignale (UiSt-un) unter Bildung von Gesamtstellsignalen (UiSt), – wobei Ausgänge der Additionsglieder (12) zur Bereitstellung der Gesamtstellsignale (UiSt) zwecks Regelung des Wechselrichters (1) eingerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für die Amplituden der symmetrischen Spannungen der Amplitude der Spannungen im Netz (2) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte (X'iS) für die Differenzwerte sämtlich Null sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte (X'iS) für die Differenzwerte zumindest teilweise von Null abweichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildung der symmetrischen Spannungen (Uis) jeweils die Amplituden derjenigen Ausgangsspannungen (Ui) des Wechselrichters (1) verwendet werden, die die größte Amplitude (U_max) besitzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nullsystem-Analyse-Block (7) einen Analyseabschnitt (7a) und einen Auswertungsabschnitt (7b) aufweist, wobei der Analyseabschnitt (7a) der Ermittlung der Differenzen und der Auswertungsabschnitt (7b) der Auswahl derjenigen Differenzen dient, die für die Regelung geeignet sind.