DE102013107792A1

DE102013107792A1 - Steuergerät für einen wandler und steuerverfahren

Info

Publication number: DE102013107792A1
Application number: DE102013107792.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Birger Hertkorn
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-01-22
Also published as: CN204669223U

Abstract

In einem Verfahren zur Steuerung eines Wandlers (130) werden zunächst Sollwerte für die Eingangsspannung Ue,soll und/oder die Ausgangsspannung Ua,soll des Wandlers (130) erzeugt. Anschließend wird die Bedingung geprüft, ob die Sollwerte Ue,soll, Ua,soll zum Erzeugen eines PWM-Signals mit einem Tastgrad größer Null und kleiner als ein vorgegebener minimaler Tastgrad dmin geeignet sind. Bei erfüllter Bedingung wird zumindest einer der Sollwerte derart um einen Änderungsbetrag geändert, dass die Bedingung bei Verwendung des geänderten Sollwertes Ue,soll*, Ua,soll* bei der Erzeugung des PWM-Signals nicht erfüllt ist, bevor ein PWM-Signal mit einem Tastgrad de erzeugt wird, der in Abhängigkeit der Sollwerte beziehungsweise geänderten Sollwerte bestimmt wird. Ein Steuergerät (1), das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, beziehungsweise ein entsprechender Wechselrichter sind ebenfalls offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für einen Wandler, sowie ein Steuerverfahren für einen Wandler, zur Vermeidung von geringen Tastgraden beim Betrieb des Wandlers. Der Wandler kann ein Hochsetzsteller, insbesondere als Teil eines Wechselrichters einer Photovoltaik-(PV-)Anlage sein.
Bei der Ansteuerung von Wandlern führen pulsweitenmodulierte (PWM-)Signale mit geringen Tastgraden zu sehr kurzen Pulsdauern der einzelnen Ansteuerimpulse. Bei Unterschreiten eines minimalen Tastgrades ist die Zeitdauer, in der ein Schalter des Wandlers in einen leitenden Zustand versetzt werden soll, so kurz, dass der Schalter nur noch teilweise in einen leitenden Zustand gelangt. In diesem Fall kann das Übersetzungsverhältnis des Wandlers schwanken oder von einem erwarteten Verhältnis abweichen, was zu Regelproblemen eines Gesamtsystems, dessen Teil der Wandler ist, führen. Daher besteht der Wunsch, Tastgrade kleiner als ein vorgegebener minimaler Tastgrad bei der Ansteuerung von Wandlern zu vermeiden. Bekannte Vermeidungsstrategien bestehen beispielsweise in der Ausblendung einzelner Pulse einer regelmäßigen Pulsfolge anstelle einer weiteren Verkürzung der Pulsdauer oder in der Umschaltung von einem Betrieb mit PWM-Signalen fester Frequenz zu PWM-Signalen mit variabler Frequenz, wenn der minimale Tastgrad unterschritten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuergerät für einen Wandler bereitzustellen, das einen Wandlerbetrieb bei Tastgraden größer Null und kleiner einem vorgegebenen minimalen Tastgrad vermeidet, wobei eine stabile Regelung des Wandlers, insbesondere als Hochsetzsteller am Generatoreingang eines Wechselrichters, erreicht wird.
Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel eines Hochsetzstellers als DC/DC-Wandler beschrieben, wobei die Erfindung auch in analoger Weise auf Tiefsetzsteller angewendet werden kann. In ersterem Fall entspricht der Tastgrad von Null dem Fall eines dauerhaft geöffneten Hochsetzstellerschalters, in letzterem Fall entspricht der Tastgrad von Null dem Fall eines dauerhaft geschlossenen Tiefsetzstellerschalters, also in beiden Fällen eines deaktivierten Wandlers, bei dem Eingangsspannung und Ausgangsspannung gleich oder im Wesentlichen gleich sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Steuerverfahren gemäß Anspruch 1 bzw. mit einem Steuergerät gemäß Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung von Aspekten der Erfindung.
1 zeigt einen ersten schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Steuergerätes,
2 zeigt einen zweiten schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Steuergerätes
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
4 zeigt ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufes.
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Steuergerätes 1 für einen Wandler 130. Dem Steuergerät 1 werden als Eingangsgrößen ein Sollwert für die Eingangsspannung U_e,soll, ein Istwert der Ausgangsspannung U_a,ist, sowie ein Wert für den minimalen Tastgrad d_min übergeben. Hieraus erstellt eine Sollwertänderungseinheit 100 des Steuergerätes 1 durch Änderung um einen Änderungsbetrag einen manipulierten Sollwert für die Eingangsspannung U_e,soll*, der dann mit einem aktuellen Istwert der Eingangsspannung U_e,ist verglichen wird. Die Differenz beider Werte Δu_e wird als Eingangsgröße einer Regeleinheit 110 übergeben, die hieraus einen Tastgrad d_e erzeugt. Eine PWM-Einheit 120 generiert ein Ansteuersignal entsprechend dem Tastgrad d_e, welches zur Ansteuerung eines Wandlers 130 verwendet wird. Der Wandler 130 kann ein Hochsetzsteller, insbesondere als Eingangsstufe eines Wechselrichters, sein, wobei das Ansteuersignal Schaltvorgänge eines Halbleiterschalters des Hochsetzstellers bestimmt. Istwerte der Eingangsspannung U_e,ist und der Ausgangsspannung U_a,ist des Wandlers 130 können an weitere, übergeordnete Regelkreise weitergegeben werden.
Es ist denkbar, dass der von der Regeleinheit 110 erzeugte Tastgrad d_e als weitere Eingangsgröße über einen Korrekturpfad 140 an die Sollwertänderungseinheit 100 übertragen wird. Bei der Änderung des Sollwertes für die Eingangsspannung U_e,soll kann der erzeugte Tastgrad d_e berücksichtigt werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass auch bei Auftreten von Messfehlern der Tastgrad d_e nicht oder zumindest nicht dauerhaft unter dem vorgegebenen minimalen Tastgrad d_min verbleibt. Gleichzeitig kann der Änderungsbetrag im Falle einer erforderlichen Änderung so angepasst werden, dass der Tastgrad d_e auch nicht dauerhaft den Wert des minimalen Tastgrades d_min überschreitet.
Die Sollwertänderungseinheit 130 ist dazu eingerichtet, eine Bedingung zu prüfen, ob die Eingangsgrößen zur Erzeugung eines PWM-Signals mit einem Tastgrad größer Null und kleiner einem vorgegebenen minimalen Tastgrad d_min führen würden. Falls diese Bedingung erfüllt ist, gibt die Sollwertänderungseinheit 130 einen manipulierten Sollwert für die Eingangsspannung U_e,soll* aus, der so gewählt ist, dass die nachgelagerte Regeleinheit 120 entweder einen Tastgrad d_e von Null oder größer oder gleich dem minimalen Tastgrad d_min erzeugt. Andernfalls bleibt der manipulierte Sollwert für die Eingangsspannung U_e,soll* gegenüber dem Sollwert für die Eingangsspannung U_e,soll unverändert.
In einer alternativen Ausführung des Reglerschemas gemäß 1 können die Rollen von Eingangsspannung und Ausgangsspannung vertauscht sein, das heißt anstelle der Bestimmung des Tastgrades in Abhängigkeit einer Abweichung des Eingangsspannungswertes von einem Sollwert wird der Tastgrad dann in Abhängigkeit einer Abweichung des Ausgangsspannungswertes von einem Sollwert bestimmt.
Eine alternative Ausführung eines Steuergerätes 1 ist in 2 als Reglerschema dargestellt. Hier umfasst die Sollwertänderungseinheit 100 nunmehr zwei manipulierte Ausgangsgrößen, eine für die Eingangsspannung U_e,soll* und eine für die Ausgangsspannung U_a,soll*. Die Abweichung des manipulierten Sollwert für die Eingangsspannung U_e,soll* vom entsprechenden Istwert wird einer ersten Regeleinheit 110 zugeführt, die Abweichung des manipulierten Sollwert für die Ausgangsspannung U_a,soll* vom entsprechenden Istwert einer zweiten Regeleinheit 111. Jede Regeleinheit 110, 111 erzeugt einen eigenen Tastgrad d_e, d_a, der einer zugeordneten PWM-Einheit 120, 121 zur Erzeugung eines jeweiligen entsprechenden Ansteuersignals zugeführt wird, wobei das jeweilige Ansteuersignal zum Betrieb des Wandlers 130 genutzt wird. In dieser Ausführung ist der Wandler 130 von einem Typ, bei dem Eingangsspannung und Ausgangsspannung unabhängig voneinander einstellbar sind, beispielsweise kann der Wandler ein zweistufiger DC/DC-Wandler sein oder auch ein DC/DC-Wandler mit nachgelagertem DC/AC-Wandler. Als Option ist auch hier wieder ein Korrekturpfad 140 eingezeichnet, um die von der Regeleinheit 130 erzeugten Wert des Tastgrades d_e zurück zur Sollwertänderungseinheit 100 zu übertragen und bei der Bestimmung eines Änderungswertes bei der Manipulation des Sollwertes für die Eingangsspannung U_e,soll* zu berücksichtigen. Alternativ oder ergänzend kann es auch einen solchen Korrekturpfad für den Tastgrad d_a als Ausgangsgröße der zweiten Regeleinheit 121 geben.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Verfahrensablaufdiagramm zur Steuerung eines Wandlers dargestellt. In einem ersten Schritt 300 werden Sollwerte für die Eingangsspannung und/oder die Ausgangsspannung des Wandlers erzeugt. In einem zweiten Schritt 310 wird die Bedingung geprüft, ob der Sollwert oder die Sollwerte geeignet sind, bei deren Verwendung zu einem PWM-Signal mit einem Tastgrad zu führen, der größer Null und kleiner einem vorgegebenen minimalen Tastgrad d_min ist. Tastgrade in diesem Bereich sind aufgrund von erhöhten Wandlerverlusten und/oder Regelinstabilitäten unerwünscht. Ist dies der Fall, wird in einem dritten Schritt 320 eine Änderung der Sollwerte um einen Änderungsbetrag durchgeführt, so dass das PWM-Signal bei Verwendung des geänderten Sollwertes oder der geänderten Sollwerte einen Tastgrad erreicht, der nicht im vorgenannten Bereich liegt. Anschließend wird in einem vierten Schritt 330 ein PWM-Signal erzeugt mit einem Tastgrad, der in Abhängigkeit der Sollwerte, bei erfüllter Bedingung im zweiten Schritt 310 in Abhängigkeit der geänderten Sollwerte, bestimmt wird.
Die Änderung des Sollwertes oder der Sollwerte im dritten Schritt 320 kann grundsätzlich in einer ersten Änderungsart derart erfolgen, dass die geänderten Sollwerte zu einem Tastgrad größer oder gleich dem vorgegebenen minimalen Tastgrad d_min führen, oder in einer zweiten Änderungsart derart, dass der Tastgrad zu Null, also der Wandler deaktiviert wird. Um die Häufigkeit der Wechsel zwischen den Änderungsarten gering zu halten, ist es vorteilhaft, diesen Wechsel mit einem Hystereseverhalten zu versehen. Bei zunehmendem Änderungsbetrag wird dieser Betrag zunächst in der ersten Änderungsart so gewählt, dass der Tastgrad des erzeugten PWM-Signals größer oder gleich dem vorgegebenen minimalen Tastgrad ist. Bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes durch den Änderungsbetrag erfolgt ein Wechsel in eine zweite Änderungsart, in der der Änderungsbetrag so gewählt wird dass das erzeugte PWM-Signal einen Tastgrad von Null aufweist. Bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes durch den Änderungsbetrag, der kleiner als der erste Schwellwert ist, wird in die erste Änderungsart zurück gewechselt.
Zur Veranschaulichung des Verfahrensablaufes ist in 4 ein Zeitdiagramm für den Verlauf von Sollwerten und Tastgraden dargestellt. Im unteren Bereich des Diagrammes ist der Verlauf des Tastgrades 400 dargestellt. Im oberen Diagrammbereich sind der Verlauf 410 des unveränderten Sollwertes der Eingangsspannung U_e,soll des Wandlers und der Verlauf 420 des geänderten Sollwertes der Eingangsspannung U_e,soll* des Wandlers bei Annäherung an den Sollwert einer Ausgangsspannung U_a,soll gezeigt. Auf der waagerechten Zeitachse sind vier Zeitpunkte t₁ bis t₄ eingezeichnet, zu denen das Verfahren die Art des Eingriffes in die Steuerung des Wandlers ändert. Zunächst unterscheiden sich für Zeiten t < t₁ die Sollwerte der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung ausreichend voneinander, so dass der Tastgrad größer als der minimale Tastgrad d_min ist und keine Änderung des Sollwertes der Eingangsspannung vorgenommen werden muss. Die Verläufe der Sollwerte 410 und 420 liegen in diesem Bereich übereinander.
Zum Zeitpunkt t₁ ist die Differenz zwischen den Sollwerten der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung auf einen Betrag U_min reduziert, wobei der Betrag U_min der Spannungsdifferenz entspricht, bei dem der Tastgrad des Wandlers den minimalen Tastgrad d_min erreicht. Bei weiter abnehmender Diffferenz zwischen den Sollwerten der Eingangsspannung U_e,soll und der Ausgangsspannung U_a,soll wird der Sollwert der Eingangsspannung U_e,soll um einen zunehmenden Änderungsbetrag geändert, so dass der geänderte Sollwert der Eingangsspannung U_e,soll* in einer ersten Änderungsart im Wesentlichen um den Betrag U_min unterhalb des Sollwertes der Ausgangsspannung U_a,soll verbleibt. Dementsprechend wird ein konstanter Tastgrad entsprechend dem minimalen Tastgrad d_min bis zu einem Zeitpunkt t₂ aufrechterhalten.
Zum Zeitpunkt t₂ wird die Manipulation des Sollwertes der Eingangsspannung derart geändert, dass der Tastgrad auf Null sinkt. Dies wird in einer zweiten Änderungsart erreicht, *indem der geänderte Sollwert der Eingangsspannung U_e,soll auf einen Wert angehoben wird, der größer oder gleich dem Sollwert der Ausgangsspannung U_a,soll ist. Diese Änderungsart wird bis zum Zeitpunkt t₃ beibehalten, zu dem wieder in die erste Änderungsart zurück gewechselt wird. Ab dem Zeitpunkt t₄ ist dann die Spannungsdifferenz zwischen den Sollwerten der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung wieder größer als der Betrag U_min, so dass die Notwendigkeit einer Manipulation des Sollwertes der Eingangsspannung entfällt.
Die in den vorigen Abschnitten erläuterten Ausführungsformen der Erfindung sind lediglich als Beispiel zu betrachten und können auf fachmännische Art abgewandelt bzw. ergänzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Steuergerät
100: Sollwertänderungseinheit
110, 111: Regeleinheit
120, 121: PWM-Einheit
130: Wandler
140: Korrekturpfad
300–330: Verfahrensschritte
400: Verlauf des Tastgrades
410: Sollwert der Eingangsspannung
420: geänderter Sollwert der Eingangsspannung

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Wandlers (130), umfassend die Schritte: – Erzeugen von Sollwerten für die Eingangsspannung U_e,soll und/oder die Ausgangsspannung U_a,soll des Wandlers (130), – Prüfen der Bedingung, ob die Sollwerte U_e,soll, U_a,soll zum Erzeugen eines PWM-Signals mit einem Tastgrad größer Null und kleiner als ein vorgegebener minimaler Tastgrad d_min geeignet sind und – Erzeugen eines PWM-Signals mit einem Tastgrad d_e, wobei der Tastgrad des PWM-Signals in Abhängigkeit von den Sollwerten bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei erfüllter Bedingung zumindest einer der Sollwerte derart um einen Änderungsbetrag geändert wird, dass die Bedingung bei Verwendung des geänderten Sollwertes U_e,soll*, U_a,soll* bei der Erzeugung des PWM-Signals nicht erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nur der Sollwert der Ausgangsspannung U_a,soll geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nur der Sollwert der Eingangsspannung U_e,soll geändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Tastgrad d_e des PWM-Signals in Abhängigkeit von einer Abweichung zwischen den Sollwerten und Istwerten für die Eingangsspannung und/oder die Ausgangsspannung des Wandlers bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei zunehmendem Änderungsbetrag dieser zunächst in einer ersten Änderungsart so gewählt wird, dass der Tastgrad d_e des erzeugten PWM-Signals größer oder gleich dem vorgegebenen minimalen Tastgrad d_min ist, und wobei bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes durch den Änderungsbetrag ein Wechsel in eine zweite Änderungsart erfolgt, in der der Änderungsbetrag so gewählt wird, dass das erzeugte PWM-Signal einen Tastgrad von Null aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei in der zweiten Änderungsart bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes durch den Änderungsbetrag ein Wechsel in die erste Änderungsart erfolgt, wobei der zweite Schwellwert kleiner als der erste Schwellwert ist.
Steuergerät (1) für einen Wandler (130) mit einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung, umfassend: – eine Regeleinheit (110, 111) zur Bestimmung eines Tastgrades d_e, d_a in Abhängigkeit von einer Abweichung zwischen Istwerten und Sollwerten für die Eingangsspannung und/oder Ausgangsspannung des Wandlers (130), – eine mit der Regeleinheit (110, 111) verbundene PWM-Einheit (120, 121) zur Erzeugung von PWM-Signalen für den Wandler (130), wobei die PWM-Signale den von der Regeleinheit (110, 111) bestimmten Tastgrad d_e, d_a aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeleinheit (110, 111) eine Sollwertänderungseinheit (100) zur bedingten Änderung der Sollwerte vorgeschaltet ist, welches dazu eingerichtet ist, in dem Fall, dass unveränderte Sollwerte zu von der Regeleinheit bestimmten Tastgraden d_e, d_a mit einem Wert zwischen einem minimalen Tastgrad d_min und Null führen, zumindest einen der Sollwerte so zu ändern, dass die Regeleinheit (110, 111) entweder Tastgrade mit einem Wert größer oder gleich dem minimalen Tastgrad d_min oder Tastgrade mit einem Wert von Null erzeugt.
Steuergerät (1) nach Anspruch 7, wobei die Sollwertänderungseinheit (100) dazu eingerichtet ist, die Sollwerte der Eingangsspannung und/oder Ausgangsspannung nur zu ändern, falls der Sollwert der Eingangsspannung weniger als eine vorgegebene minimale Differenzspannung U_min unterhalb des Sollwertes der Ausgangsspannung liegt.
Steuergerät nach Anspruch 8, wobei die geänderten Sollwerte derart gewählt sind, dass der geänderte Sollwert der Eingangsspannung mindestens um die minimale Differenzspannung U_min kleiner als der geänderten Sollwert der Ausgangsspannung ist oder der geänderte Sollwert der Eingangsspannung größer oder gleich dem geänderten Sollwert der Ausgangsspannung ist.
Steuergerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Sollwertänderungseinheit (100) nur zur Änderung des Sollwertes der Ausgangsspannung eingerichtet ist.
Wechselrichter, umfassend ein Steuergerät (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10.