DE102017007037B4 - Verfahren zur Netzbewertung und Sollwertgenerierung - Google Patents
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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 - 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 der1 dargestellt. Er besitzt zwei EingängeE11 ,E12 und zwei AusgängeA11 ,A12 . Das Eingangssignal am ersten EingangE11 ist die gemessene Netzspannung u. Das am zweiten EingangE12 anliegende Eingangssignal ist der einstellbare Frequenzkoeffizienta . Die Ausgangssignaley1 ,y2 an den beiden AusgängenA11 ,A12 sind erstens die um Störungen bereinigte Grundwelle des Eingangssignals u als erstes Ausgangssignaly1 , sowie zweitens das dazu um -
- 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 und2 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 der2 dargestellten Phasenregler2 der Parametera des verallgemeinerten Integrators1 so eingestellt, dass dieser die der Grundwelle des Netzspannungssignalsu zugrunde liegende Frequenz beschreibt. Ist dieser Frequenzkoeffizienta nicht richtig eingestellt, ergibt sich zwischen den Signalenu undy1 eine Phasenverschiebungp . Diese wird vom Phasenregler2 detektiert und durch Veränderung des Frequenzkoeffizientena auf einen Phasensollwertw geregelt. - Die Detektion der Phasenverschiebung
p wird durch die beiden Diagramme der3 weiter verdeutlicht. Aufgetragen sind in der3a der zeitliche Verlauf von Spannungssignalen und in der3b der zeitliche Verlauf des Winkels der Phasenverschiebungp , wobei die Figuren deren Verläufe rein qualitativ darstellen. - Dabei wird zunächst vom Netzspannungssignal
u das von Störungen bereinigte Signaly1 abgezogen. Das so entstandene Differenzsignalrp wird mit dem Signaly2 multipliziert (3a) . Dies ergibt ein Phasensignalp (3b) , welches die Phasenverschiebung zwischen den Signalenu undy1 beschreibt. Aufgrund der immer gleichen Relation zwischen den Signaleny1 undy2 , welche um 90° phasenverschoben sind, ist das Phasensignalp immer positiv, sobald das Signaly1 dem Signalu nachläuft, und immer negativ, sobald das Signaly1 vor dem Netzspannungssignalu herläuft. Das Phasensignalp schwingt dabei mit der zweifachen Frequenz des Netzspannungssignalsu . Die benötigte Phaseninformation findet sich im Mittelwert des Phasensignalsp wieder. - Dieser Mittelwert des Phasensignals
p wird nun vom verwendeten I-Regler im Phasenregler2 durch Verstellen des Frequenzkoeffizientena dem Phasensollwertw angeglichen. Die Regelgeschwindigkeit des Phasenreglers kann durch den Parameterk eingestellt werden. - Der Netzqualitätsindex
r wird durch Betragsbildung aus dem Signalrp erzeugt. Er beschreibt zu jedem Zeitpunkt die Abweichung der gemessenen Netzspannungu von der zu erwartenden Grundwelley1 der Netzspannung. Dadurch ist eine Echtzeitbewertung der Netzqualität, die alle möglichen Störungen der Netzspannungu 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 Phasenverschiebungp 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 Netzspannungu erkannt werden, ohne eine aufwändige, störanfällige Erkennung zu implementieren. Dies funktioniert, da das Signaly1 die Grundwelle der Netzspannungu 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 Netzqualitätsindexr . Die Reaktion auf den Netzqualitätsindexr 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 der4 dargestellt. Diese erhält man aus der allgemeinen Definition in der1 durch eine Transformation in ein diskretes Modell mit einer definierten Abtastrate. Das ElementMem 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 der2 gezeigten Modells erzeugen. Der Parameterkd 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 der6 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 (2)
- 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.
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2018
- 2018-07-24 WO PCT/EP2018/070042 patent/WO2019020629A1/de active Application Filing
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