DE102017007037B4

DE102017007037B4 - Verfahren zur Netzbewertung und Sollwertgenerierung

Info

Publication number: DE102017007037B4
Application number: DE102017007037.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Korte; Hans-Georg Beerens
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: WO2019020629A1; DE102017007037A1

Abstract

Verfahren zur Netzbewertung und Sollwertgenerierungmit einem verallgemeinerten Integrator (1), dem ein Netzspannungssignal (u) als ein erstes Eingangssignal zugeführt wird, und dem ein variabler Frequenzkoeffizient (a) als ein zweites Eingangssignal zugeführt wird,wobei der Frequenzkoeffizient (a) ein erstes Ausgangssignal eines Phasenreglers (2) ist,wobei dem Phasenregler an seinen Eingängen (E21, E22, E23, E24) das Netzspannungssignal (u), ein Phasensollwertsignal (w), sowie die Ausgangssignale (y, y) des verallgemeinerten Integrators (1) zugeführt werden undwobei der Phasenregler (2) ein Differenzsignal (rp) aus dem Netzspannungssignal (u) und einem der Ausgangssignale (y) des verallgemeinerten Integrators (1) bildet, dessen Betragswert einen Netzqualitätsindex (r) repräsentiert,dadurch gekennzeichnet,dass das Verfahren für den Betrieb eines Ladegerät verwendet wird, unddass der Wert des Netzqualitätsindexes (r) beim Starten des Ladegeräts die Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen Leistungsaufnahme des Ladegeräts beeinflusst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfahren zur Netzbewertung und Sollwertgenerierung mit einem verallgemeinerten Integrator, dem ein Netzspannungssignal als ein erstes Eingangssignal zugeführt wird, und dem ein variabler Frequenzkoeffizient als ein zweites Eingangssignal zugeführt wird, wobei der Frequenzkoeffizient ein erstes Ausgangssignal eines Phasenreglers ist, wobei dem Phasenregler an seinen Eingängen das Netzspannungssignal, ein Phasensollwertsignal, sowie die Ausgangssignale des verallgemeinerten Integrators zugeführt werden und wobei der Phasenregler ein Differenzsignal aus dem Netzspannungssignal und einem der Ausgangssignale des verallgemeinerten Integrators bildet, dessen Betragswert einen Netzqualitätsindex repräsentiert.
Ein derartiges Verfahren ist in der Druckschrift US 2010 / 0 213 925 A1 offenbart.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 354 800 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein verallgemeinerter Integrator zu Bestimmung der Grundfrequenz einer Netzspannung eingesetzt wird.
Ladegeräte in Elektrofahrzeugen, sogenannte On Board Charger oder On Board Charge Clients, werden mit dem Dreh- oder Wechselspannungsnetz der Energieversorger verbunden. Je nach Anschlusspunkt kann die Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz durch bestimmte elektrische Parameter definiert werden. So kann die Verbindung einen besonders hohen Widerstand oder eine besonders hohe Induktivität aufweisen. Auch können sich in direkter Nähe zum Anschlussort weitere Verbraucher befinden, die die Spannungsform des Anschlusspunktes stark beeinflussen. Auch das Ein- und Ausschalten derartiger Verbraucher kann zu Störungen der Spannungsform und der Phasenlage, bis hin zu Spannungs- und Phasensprüngen führen.
Da die Ladegeräte in den Fahrzeugen verbaut sind, können sie mit all diesen Störungsformen an verschiedenen Anschlussstellen konfrontiert werden. Die Ladegeräte sollten daher in der Lage sein, mit all diesen Störungen umgehen zu können. Dabei sollte möglichst immer die volle Ladeleistung des Ladegerätes zur Verfügung stehen. Dies ist je nach Art der Störung zwar nicht immer erreichbar; in jedem Fall sollte das Ladegerät aber in der Lage sein, zumindest einen Teil der Ladeleistung zur Verfügung zu stellen.
Des Weiteren werden an die Ladegeräte hohe Anforderungen hinsichtlich der Stromaufnahme aus dem Energieversorgungsnetz gestellt. Das Ladegerät soll einen möglichst sinusförmigen Strom in Phase zur Netzspannung aufnehmen. Diese Eigenschaft lässt sich mithilfe des Leistungsfaktors ϕ, der die Phasenverschiebung von Spannung und Strom beschreibt, sowie der Total Harmonic Distortion THD, welche den Oberwellengehalt des Stromes quantifiziert, bewerten.
Hieraus lassen sich zwei wichtige Aufgaben für das Ladegerät ableiten, und zwar erstens die Ermittlung eines Stromsollwertes, der der Grundwelle der Netzspannung entspricht und zweitens die Ermittlung eines Qualitätsindex zur Bewertung der Netzanschlussqualität.
Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Netzbewertung und Sollwertgenerierung für ein Ladegerät soll die Lösung beider Aufgaben gegenüber dem aktuellen Stand der Technik verbessern und zwar insbesondere in einer einfachen, für kostengünstige Mikrocontroller ausführbaren Methode.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalkombination des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert werden. Es zeigen die

1 einen verallgemeinerten Integrator mit einem variablen Frequenzkoeffizienten als Eingangsgröße,
2 einen Phasenregler zur Regelung des Frequenzkoeffizienten,
3 zwei Diagramme zur Erläuterung der Detektion eines Phasensignals,
4 eine Implementierung des verallgemeinerten Integrators mit variablem Frequenzkoeffizienten,
5 eine erste Implementierung des Phasenreglers,
6 eine zweite Implementierung des Phasenreglers.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen verallgemeinerten Integrator 1 mit einem einstellbaren Frequenzkoeffizienten a. Ein solcher Integrator ist aus der Literatur, wie beispielsweise der eingangs genannten europäischen Patentanmeldung EP 2 354 800 A1 , bekannt und wird an vielen Stellen als Sinusfilter eingesetzt.
Dieser verallgemeinerte Integrator 1 wird nun um einen Phasenregler 2 erweitert. Die Gesamtheit aus beiden Teilen bildet einen frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrator 1, 2 aus, der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert.
Der verallgemeinerte Integrator 1 mit variablen Frequenzkoeffizienten a ist in der 1 dargestellt. Er besitzt zwei Eingänge E₁₁ , E₁₂ und zwei Ausgänge A11, A12. Das Eingangssignal am ersten Eingang E₁₁ ist die gemessene Netzspannung u. Das am zweiten Eingang E₁₂ anliegende Eingangssignal ist der einstellbare Frequenzkoeffizient a. Die Ausgangssignale y₁ , y₂ an den beiden Ausgängen A₁₁ , A₁₂ sind erstens die um Störungen bereinigte Grundwelle des Eingangssignals u als erstes Ausgangssignal y₁ , sowie zweitens das dazu um $90 ° = \frac{π}{2}$
phasenverschobene Ausgangssignal y₂.
Das zeitliche Verhalten des verallgemeinerten Integrators 1 kann durch einen Satz von zwei Differentialgleichungen beschrieben werden: $\frac{d}{d t} (\begin{matrix} y_{1} (t) \\ y_{2} (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} - b & - a (t) \\ a (t) & 0 \end{matrix}) (\begin{matrix} y_{1} (t) \\ y_{2} (t) \end{matrix}) + (\begin{matrix} b \\ 0 \end{matrix}) u (t)$
Hierin beschreibt der Parameter b die Filtergüte des verallgemeinerten Integrators 1.
Der Phasenregler 2 zur Regelung des Frequenzkoeffizienten a des verallgemeinerten Integrators ist in der 2 dargestellt. Die Eingangssignale der vier Eingänge E₂₁, E₂₂, E₂₃, E₂₄ sind der Reihe nach das Netzspannungssignal u, das erste Ausgangssignal y₁ und das zweite Ausgangssignal y₂ des verallgemeinerten Integrators 1, sowie ein Phasensollwert w. Die Ausgangssignale des Phasenreglers 2 sind ein sogenannter Netzqualitätsindex r am Ausgang A₂₁, sowie am Ausgang A₂₂ der Frequenzkoeffizient a, der eine Eingangsgröße des verallgemeinerten Integrators 1 bildet.
Beide in den 1 und 2 skizzierten Regelkreise zusammen ergeben einen frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrator 1, 2.
Die Funktionsweise des frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrators 1, 2 ist die folgende. Der Verlauf der Netzspannung wird durch eine geeignete, hier nicht dargestellte Messeinrichtung erfasst und als Netzspannungssignal u an den frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrator 1, 2 übergeben. Der Verlauf des Netzspannungssignals u ist im Grundsatz sinusförmig, kann aber durchaus Störungen, wie Verzerrungen, Oberwellen oder Lücken, enthalten.
Daraufhin geschieht zweierlei. Der verallgemeinerte Integrator 1 nimmt den Verlauf der sinusförmigen Grundwelle des Netzspannungssignals u auf und schwingt mit dieser mit. Die Güte und Geschwindigkeit dieser Adaption kann mithilfe des Parameters b eingestellt werden.
Gleichzeitig mit dem Einschwingen des verallgemeinerten Integrators 1 wird durch den in der 2 dargestellten Phasenregler 2 der Parameter a des verallgemeinerten Integrators 1 so eingestellt, dass dieser die der Grundwelle des Netzspannungssignals u zugrunde liegende Frequenz beschreibt. Ist dieser Frequenzkoeffizient a nicht richtig eingestellt, ergibt sich zwischen den Signalen u und y₁ eine Phasenverschiebung p. Diese wird vom Phasenregler 2 detektiert und durch Veränderung des Frequenzkoeffizienten a auf einen Phasensollwert w geregelt.
Die Detektion der Phasenverschiebung p wird durch die beiden Diagramme der 3 weiter verdeutlicht. Aufgetragen sind in der 3a der zeitliche Verlauf von Spannungssignalen und in der 3b der zeitliche Verlauf des Winkels der Phasenverschiebung p, wobei die Figuren deren Verläufe rein qualitativ darstellen.
Dabei wird zunächst vom Netzspannungssignal u das von Störungen bereinigte Signal y₁ abgezogen. Das so entstandene Differenzsignal rp wird mit dem Signal y₂ multipliziert (3a). Dies ergibt ein Phasensignal p ( 3b), welches die Phasenverschiebung zwischen den Signalen u und y₁ beschreibt. Aufgrund der immer gleichen Relation zwischen den Signalen y₁ und y₂ , welche um 90° phasenverschoben sind, ist das Phasensignal p immer positiv, sobald das Signal y₁ dem Signal u nachläuft, und immer negativ, sobald das Signal y₁ vor dem Netzspannungssignal u herläuft. Das Phasensignal p schwingt dabei mit der zweifachen Frequenz des Netzspannungssignals u. Die benötigte Phaseninformation findet sich im Mittelwert des Phasensignals p wieder.
Dieser Mittelwert des Phasensignals p wird nun vom verwendeten I-Regler im Phasenregler 2 durch Verstellen des Frequenzkoeffizienten a dem Phasensollwert w angeglichen. Die Regelgeschwindigkeit des Phasenreglers kann durch den Parameter k eingestellt werden.
Der Netzqualitätsindex r wird durch Betragsbildung aus dem Signal rp erzeugt. Er beschreibt zu jedem Zeitpunkt die Abweichung der gemessenen Netzspannung u von der zu erwartenden Grundwelle y₁ der Netzspannung. Dadurch ist eine Echtzeitbewertung der Netzqualität, die alle möglichen Störungen der Netzspannung u abbildet, gegeben.
Eine Weiterverarbeitung des Netzqualitätsindexes r ist in vielerlei Hinsicht möglich; an dieser Stelle speziell vorgeschlagen werden sollen eine kontinuierliche Auswertung, welche direkt die Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen Leistungsaufnahme speziell beim Starten des Ladegerätes beeinflusst, und eine Auswertung mittels eines absoluten oder variablen Grenzwertes, der bei Überschreitung zu einer Leistungsverminderung des Ladegerätes führt. Hierdurch kann das Ladegerät effizient auf Störungen reagieren, die an einem qualitativ schlechten Netzanschlusspunkt oder einem Inselnetz, bei einer hohen Leistungsentnahme durch das Ladegerät entstehen können.
Weiterhin kann in diesem Fall eine Regelung greifen, deren Ziel es ist den Netzqualitätsindex r genau auf dem Grenzwert zu halten um die Leistungsverminderung des Ladegerätes so gering wie möglich zu halten.
Mit Hilfe des Phasensollwertes w kann dem Ladegerät ein beliebiger Verlauf der Phasenverschiebung p zur Netzspannung im Bereich von etwa - 20° bis + 20° vorgegeben werden. Dieser kann als Stellgröße für Netzstabilitätsregelungen des Energieversorgers genutzt werden.
Weiterhin kann mithilfe des Signals y₁ der Nulldurchgang der Netzspannung u erkannt werden, ohne eine aufwändige, störanfällige Erkennung zu implementieren. Dies funktioniert, da das Signal y₁ die Grundwelle der Netzspannung u als im Nullpunkt streng monoton fallendes oder steigendes Signal herausfiltert.
Das vorgestellte Verfahren ist auf kostengünstigen Mikrocontrollern implementierbar und erlaubt neben der Generierung eines gefilterten sinusförmigen Stromsollwertes auch das Einstellen eines Phasenverschiebungsverlaufes durch den Phasensollwert w und die Bewertung der Netzqualität mittels einer einzigen Größe, und zwar dem Netzqualitätsindex r. Die Reaktion auf den Netzqualitätsindex r unterliegt nicht den enormen Zeitanforderungen der Netzanalyse und ist somit ebenfalls auf kostengünstigen Mikrocontrollern implementierbar.
Zur Implementierung des beschriebenen Verfahrens sind verschiedene Ausführungen denkbar. Eine bevorzugte Implementierung für den verallgemeinerten Integrator 1 ist in der 4 dargestellt. Diese erhält man aus der allgemeinen Definition in der 1 durch eine Transformation in ein diskretes Modell mit einer definierten Abtastrate. Das Element Mem stellt hierbei einen Zwischenspeicher dar.
Die Implementierung für den Phasenregler, dargestellt in der 5, lässt sich ebenso wie die Implementierung des verallgemeinerten Integrators durch eine Diskretisierung des in der 2 gezeigten Modells erzeugen. Der Parameter kd ist hierin ein zeitdiskreter Parameter.
Alternativ ist es möglich, statt einer direkten Multiplikation mit dem Signal y₂ , dessen Vorzeichen zunächst durch eine Signum-Funktion sgn zu ermitteln und anschließend lediglich mit dem Vorzeichen zu multiplizieren. Dadurch werden die Wertebereiche der nachfolgenden Signale weniger groß und sind für den verwendeten Mikrocontroller einfacher zu handhaben. Diese Ausführung ist in der 6 dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: verallgemeinerter Integrator
2: Phasenregler
1, 2: frequenzadaptiver verallgemeinerter Integrator
A₁₁, A12, A21, A22: Ausgänge
E11, E12, E21, E22, E23, E24: Eingänge
Mem: Zwischenspeicher
a: zweites Eingangssignal (Frequenzkoeffizient)
b: Parameter (Güte des verallgemeinerten Integrators)
k: Parameter
kd: Parameter (zeitdiskret)
p: Phasenverschiebung(swinkel)
r: Netzqualitätsindex
rp: Differenzsignal
u: erstes Eingangssignal (Netzspannungssignal, Netzspannung)
y₁: erstes Ausgangssignal des verallgemeinerten Integrators
y₂: zweites Ausgangssignal des verallgemeinerten Integrators
w: Phasensollwert

Claims

Verfahren zur Netzbewertung und Sollwertgenerierung mit einem verallgemeinerten Integrator (1), dem ein Netzspannungssignal (u) als ein erstes Eingangssignal zugeführt wird, und dem ein variabler Frequenzkoeffizient (a) als ein zweites Eingangssignal zugeführt wird, wobei der Frequenzkoeffizient (a) ein erstes Ausgangssignal eines Phasenreglers (2) ist, wobei dem Phasenregler an seinen Eingängen (E21, E22, E23, E24) das Netzspannungssignal (u), ein Phasensollwertsignal (w), sowie die Ausgangssignale (y₁, y₂) des verallgemeinerten Integrators (1) zugeführt werden und wobei der Phasenregler (2) ein Differenzsignal (rp) aus dem Netzspannungssignal (u) und einem der Ausgangssignale (y₁) des verallgemeinerten Integrators (1) bildet, dessen Betragswert einen Netzqualitätsindex (r) repräsentiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für den Betrieb eines Ladegerät verwendet wird, und dass der Wert des Netzqualitätsindexes (r) beim Starten des Ladegeräts die Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen Leistungsaufnahme des Ladegeräts beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensollwert (w) als Stellgröße für Netzstabilitätsregelungen des Energieversorgers genutzt wird.