DE69125462T2

DE69125462T2 - Paralleles Wechselrichtersystem

Info

Publication number: DE69125462T2
Application number: DE69125462T
Authority: DE
Inventors: Joji Kawai; Yushin Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-12-19
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2011-12-19
Also published as: CA2057717C; US5212630A; EP0492396B1; JP2679411B2; CA2057717A1; KR960004260B1; EP0492396A1; JPH04217822A; KR920013869A; DE69125462D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem, in welchem mehrere Wechselrichtereinheiten mit wechselstromausgang, wie z.B. Wechselrichter, in Bezug auf eine gemeinsame Last parallel geschaltet und betrieben werden, und insbesondere eine Einrichtung zum Regeln des Stromgleichgewichtes zwischen den Wechselrichtereinheiten für den Einsatz in dem System.

BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK

Fig. 10 stellt eine schematische Ansicht eines parallel betreibbaren Systems mit einem herkömmlichen Wechselrichter mit wechselstromausgang dar, welches beispielsweise in den Japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 53-36137 und 56- 13101 offenbart ist.
Gemäß Fig. 10 arbeitet eine erste Wechselrichtereinheit 11 parallel mit einer zweiten Wechseirichtereinheit 12, welche den gleichen Aufbau aufweist, über einen Ausgangssammelleiter 13 zusammen und liefert elektrische Energie an eine Last 14. Die erste Wechselrichtereinheit besteht hauptsächlich aus einem Wechselrichter-Kern 110, einer Drossel 111 und einem Kondensator 112, die als Filter dienen, wandelt elek trische Energie aus einer Gleichstrom-Energieversorgung 15 in Wechselstromenergie um, und ist über einen Schalter 113a mit dem Ausgangssammelleiter 113 verbunden. Um die erste und zweite Wechselrichtereinheit 11 und 12 parallel zu betreiben, wird ein Detektionssignal I1a von einem Ausgangsstrom I&sub1; der ersten Wechselrichtereinheit 11 durch einen Stromtransformator (CT) 120a erhalten, und eine Differenz zwischen dem Detektionssignal I1a und einem gleichzeitig von der zweiten Wechselrichtereinheit 12 erhaltenem Detektionssignal I2a, d.h., ein einem Querstrom entsprechendes Signal ΔI1 wird von einem Querstromdetektor 151 erhalten. Dann werden zwei orthogonale Spannungsvektoren EA und EB von einem Phasenschieber 150 erzeugt, und eine der Komponente ΔQ entsprechende Blindleistung und eine der Komponente ΔP entsprechende Wirkleistung werden aus dem Signal ΔI&sub1; durch die Berechnungsschaltungen 152 bzw. 153 erhalten. Eine Spannungsregelschaltung 143 führt eine Impulsbreitenmodulation an dem Wechselrichter- Kern 110 über eine PWM-Schaltung 140 auf der Basis von Signalen aus einer Spannungs-Einstellschaltung 17 undeiner Spannungsrückkopplungsschaltung 130 aus, und regelt dadurch die interne Spannung.
Die vorgenannte der Blindleistung entsprechende Komponente ΔQ wird der Spannungregelschaltung 143 als ein Hilfssignal zugeführt, und die innere Spannung des Wechselrichter- Kerns 110 wird höchstens um einige Prozent angepaßt, so daß ΔQ zu Null wird.
Andererseits wird die der Wirkleistung entsprechende Komponente ΔP über einen Verstärker 154 in einen Referenzoszillator 155 als eine Komponente einer PLL-Schaltung eingegeben, und die Phase der inneren Spannung des Wechselrichter- Kerns 110 wird durch eine Feinabstimmung der Frequenz des Referenzoszillators so geregelt, daß ΔP zu 0 wird.
Da die Spannung und die Phase auf diese Weise so geregelt werden, daß sowohl ΔQ als ΔP zu 0 werden, existiert kein Querstrom zwischen den zwei Wechselrichtern und es wird eine stabile Lastaufteilung erreicht.
Das herkömmliche System für den Parallelbetrieb der Wechselrichter weist jedoch die nachstehenden drei Probleme auf. Erstens, da die Teilströme durch Regelung der Phase und eines Mittelwertes der inneren Spannung der Wechselrichter ausgeglichen werden, ist es schwierig, die Reaktionszeit der Regelung zu verbessern, und insbesondere ist es nicht möglichen eine kurzzeitigen Querstrom auszuregeln. Zweitens, da ein Filter erforderlich ist, um eine Wirkkomponente und eine Blindkomponente des Querstroms getrennt zu erkennen, kann der Querstrom nicht mit hoher Geschwindigkeit geregelt werden. Daher gibt es eine Einschränkung bei der Anwendung des Systems für eine sehr schnelle Spannungsregelung, beispielsweise für eine verzögerungsfreie Wellenformregelung, welche eine Ausgangsgröße des Wechselrichters als Sinuswelle hoher Qualität mit geringer Verzerrung beibehält. Drittens, da die Wirkkomponente und die Blindkomponente des Querstroms getrennt geregelt werden, ist die Regelschaltung kompliziert.
Die DE-A-38 40 806 A1 offenbart eine Schaltung zum Paralleischalten einer beliebigen Anzahl von Impuls-Wechselrichtern. Jeder Wechselrichter liefert Meßdaten seines eigenen Betriebszustandes über eine Datenverteilungsschaltung an nur eine Steuer- und Regeleinheit. Die Regeleinheit regelt die Gesamtstromabgabe der Wechselrichter.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Parallel-Wechselrichtersystems, welches Teilströme mit hoher Geschwindigkeit ohne Trennung des Querstroms in eine Wirkkomponente und eine Blindkomponente im Gleichgewicht halten kann. Diese Aufgabe wird durch ein System mit den in Anspruch 1 aufgelisteten Merkmalen erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Parallel-Wechselrichtersystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A und 2B jeweils ein Schaltbild eines Wechselrichters zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Stromdetektionsschaltung in der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten Systems;
Fig. 5 ein Schaltbild der Stromdetektionsschaltung;
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform;
Fig. 8 ein Schaltbild eines weiteren Wechselrichters zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise des in Fig. 8 dargestellten Wechselrichters darstellt; und
Fig. 10 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Parallel- Wechselrichtersystems.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß Fig. 1 arbeitet eine erste Wechselrichtereinheit 1 parallel mit einer zweiten Wechselrichtereinheit 2, welche in vereinfachter Form dargestellt ist und denselben Aufbau aufweist, über einen Ausgangssammelleiter 3 zusammen und liefert elektrische Energie an ein Last 4. Die Bezugszeichen 5, 6 und 7 bezeichnen eine mit der ersten Wechselrichtereinheit 1 verbundene Gleichstrom-Energieversorgung, eine mit der zweiten Wechselrichtereinheit 2 verbundene Gleichstrom-Energieversorgung und eine Referenzausgangsspannung-Erzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Spannungssollwertes für den Ausgangssammelleiter 3.
Bezugszeichen größer als 100 bezeichnen Komponenten der Wechselrichtereinheiten 1 und 2. Die Bezugszeichen ohne Subskript oder mit dem Subskript "a" bezeichnen Komponenten der ersten Wechselrichtereinheit 1, und die Bezugszeichen mit dem Subskript "b" bezeichnen Komponenten der zweiten Wechselrichtereinheit 2.
Ein Wechselrichter-Kern 100 besteht aus selbst abschaltenden Elementen, beispielsweise Transistoren oder MOSFET's, welche in der Lage sind, mit hoher Frequenz zu schalten, und kann etwa ein in Fig. 2A dargestellter dreiphasiger Brückenwechselrichter oder ein in Fig. 2B dargestellter einphasiger Brückenwechselrichter sein, deren Arme mit hoher Frequenz mit etwa zehn- bis hundertfacher Frequenz der Ausgangsfrequenz (beispielsweise 60 Hz) geschaltet werden, und wandelt eine Gleichspannung in eine hochf requente Wechselspannung in der Form einer Rechteckwelle einschließlich einer Sinusgrundwelle um. Die Bezugszeichen 101 und 102 bezeichnen eine Drossel und einen Kondensator, die ein Tiefpaßfilter bilden, wobei beide Harmonische aus der hochf requenten Wechselspannung in der Form einer von dem Wechselrichter-Kern 100 erzeugten Rechteckwelle entfernen, das eine Ausgangsspannung in einer Sinuswelle erzielt und mit dem Ausgangssammelleiter 3 über einen Ausgangsschalter 103a verbunden sind.
Stromdetektoren 200a und 201 detektieren einen Ausgangsstrom I&sub1; der ersten Wechselrichtereinheit bzw. einen Ausgangsstrom IA1 des Wechselrichter-Kerns 100. Ein Spannungsdetektor 300 detektiert eine Spannung des Kondensators 102, d.h., eine Ausgangssammelleiterspannung im Parallelbetrieb der Wechselrichtereinheiten 1 und 2.
Eine PWM-Schaltung 400 für die Festlegung des Zeitverlaufs des Wechselrichter-Kerns 100 ist beispielsweise eine Dreieckswellenvergleichs-PWM-Schaltung, welche den Wechselrichter-Kern 100 als Reaktion auf das Kreuzen eines Spannungssollsignals für eine von dem Wechselrichter-Kern 100 auszugebende Grundwelle mit einer dreieckigen Trägerwelle schalten läßt. Eine Stromregelschaltung 401 regelt den Ausgangsstrom IA1 des Wechselrichter-Kerns 100, eine Begrenzerschaltung 402 begrenzt einen Ausgangsstrom-Sollwert des Wechselrichter-Kerns 100 und eine Spannungsregelschaltung 403 regelt die Spannung des Kondensators 102. Eine Kondensatorreferenzstrom-Erzeugungsschaltung 404 gibt einen an den Kondensator 102 zu liefernden Stromwert aus, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erzeugen. Eine Virtualimpedanz-Schaltung 405a unterdrückt Querströme, indem sie eine virtuelle Impedanz Z zwischen der ersten und zweiten Wechselrichtereinheit 1 und 2 einfügt. Eine Stromdetektionsschaltung 406a detektiert den von der ersten Wechselrichtereinheit 1 ausgegebenen Querstrom und einen zu übernehmenden Laststromwert. Die Bezugszeichen 500, 501, 502, 503 und 504a bezeichnen Addierer und Subtrahierer.
Die zweite Wechselrichtereinheit 2 weist denselben Aufbau wie die erste Wechselrichtereinheit 1 auf und die Ausgänge der ersten und zweiten Wechselrichtereinheit 1 und 2 sind über den Sammelleiter 3 parallelgeschaltet. Die Bezugszeichen 103b und 200b bezeichnen einen Ausgangsschalter der zweiten Wechselrichtereinheit 2 und einen Stromsensor zum Detektieren eines Ausgangsstromes 12 der zweiten Wechselrichtereinheit 2.
Fig. 3 ist ein detailliertes Blockschaltbild der Stromdetektionsschaltung 406a. Die Bezugszeichen 406d und 406t bezeichnen einen Addierer bzw. Subtrahierer. Das Bezugszeichen 406u bezeichnet eine Verstärkerschaltung mit einer Verstärkung von im, wenn die Anzahl parallel geschalteter Wechselrichtereinheiten gleich n ist. Ein Laststrom IL wird durch Addieren des Ausgangsstroms I&sub1; der ersten Wechselrichtereinheit 1 und des Ausgangsstroms 12 der zweiten Wechselrichtereinheit 2 in dem Addierer 4065 gefunden, und ein Wert IL/n wird durch Eingabe eines dem Laststrom IL entsprechenden Signals in die Verstärkerschaltung 406u berechnet, um den Laststrom IL durch die Anzahl der parallelen Wechselrichter (n = 2) in dieser Ausführungsform) zu dividieren und als einen von der ersten Wechselrichtereinheit 1 zu übernehmenden Laststrom IL1* auszugeben. Des weiteren wird eine Differenz zwischen dem Ausgangsstrom I&sub1; der ersten Wechselrichtereinheit 1 und dem zu übernehmenden Strom IL1*, d.h., ein Querstrom ΔI&sub1; (= I&sub1; - IL1*) berechnet und von dem Subtrahierer 406t ausgegeben.
Die Betriebsabläufe des Parallel-Wechselrichtersystems werden nun beschrieben. Jede Wechselrichtereinheit 1 und 2 ist mit einer Strom-Unterregelschleife versehen. Die Stromregelschaltung 401 gibt eine an die Drossel 101 anzulegende Spannung aus, so daß ein von dem Stromsensor 201 zurückgekoppelter Ausgangsstrom IA1 des Wechselrichter-Kerns 100 mit einem Sollstrom IA1* aus der Begrenzerschaltung 402 übereinstimmt. Da der Kondensator 102 und die von der zweiten Wechselrichtereinheit 2 erzeugte Spannung an dem Sammelleiter 3 vorhanden sind, ist es erforderlich, daß der Wechselrichter- Kern 100 die Summe der Spannung des Ausgangssammelleiters 3 und der an die Drossel 101 anzulegenden Spannung erzeugt, um eine gewünschte Spannung an die Drossel 101 anzulegen. Daher werden die von dem Spannungsdetektor 300 detektierte Spannung und das Ausgangssignal der Stromregelschaltung 401 von dem Addierer 500 addiert und als eine Sollspannung an die PWM- Schaltung 400 geliefert.
Die Kondensatorreferenzstrom-Erzeugungsschaltung 404 erzeugt ein Sinuswellen-Referenzstromsignal für einen Strom, der in den Kondensator 102 fließen soll, welcher einem Spannungssollwert V&sub1;* des Kondensators 102 aufgrund der Kapazität des Kondensator 102 um 90º voreilt. Der Spannungssollwert V&sub1;* des Kondensator 102 kann gemäß nachstehender Beschreibung durch das Ausgangssignal des Subtrahierers 504a erhalten werden. Eine Abweichung zwischen der Sollspannung V&sub1;* des Kondensators 102 und der von dem Spannungsdetektor 300 detektierten Spannung des Kondensators 102 wird von dem Subtrahierer 503 berechnet, und die Spannungsregelschaltung 403, an welche die Abweichung eingegeben wird, gibt ein an den Wechselrichter-Kern 100 auszugebendes Korrekturstromsignal aus, um die Abweichung zu reduzieren.
Die Ausgangssignale der Kondensatorreferenzstrom-Erzeugungsschaltung 404 und der Spannungsregelschaltung 403 und ein von der Stromdetektionsschaltung 406a ausgegebener Stromsollwert IL1* für den von der ersten Wechselrichtereinheit 1 zu übernehmenden Strom werden von dem Addierer 502 addiert, und das Ergebnis der Addition wird von der Begrenzerschaltung 402 begrenzt, wodurch ein Ausgangsstrom-Sollwert IA1* des Wechselrichter-Kerns 100 erhalten wird. Daher wird eine Leerlaufspannung erhalten, wenn der Wechselrichter-Kern 100 einen an den Kondensator 102 anzulegenden Strom im Leerlauf zustand erzeugt. In diesem Falle korrigiert die Spannungsregelschaltung 403 einen Überschuß oder einen Kurzschluß des Ausgangssignals der Kondensatorreferenzstrom-Erzeugungsschaltung 404, welcher von dem Fehler der Stromregelung oder der Differenz zwischen einem Nennwert und einem tatsächlichen Wert der Kapazität des Kondensators 102 bewirkt wird. Wenn anschließend die Last 4 angelegt wird, wird von der Stromdetektionsschaltung 406a ein Befehl für die Übernahme der Hälfte des Laststromes IL an die Strom-Unterregelschleifen der Wechselrichtereinheiten 1 und 2 gegeben, worauf dann die Wechselrichtereinheiten 1 und 2 jeweils die Hälfte des Laststroms IL übernehmen. Die Begrenzerschaltung begrenzt den Sollwert zu der Stromregelschaltung 401 unter einen zulässigen Stromwert des Wechselrichter-Kerns 100, so daß der Wechselrichter-Kern 100 keinen Überstrom, wie z.B. einen Einschaltstoßstrom liefert, wenn die Last aktiviert wird.
Aufgrund der vorstehenden Konstruktion sind die Wechselrichtereinheiten 1 und 2 vor Überströmen durch ihre entsprechenden Unterregelschleifen geschützt, und die Ausgangsspannung kann immer sinusförmig gehalten werden, indem die Verzerrung und schnelle Änderung des Laststroms sofort abgefangen wird. Dieses Verfahren ist durch eine extrem schnelle Reaktion gekennzeichnet, da die vorstehende Regelung bei jedem Schaltvorgang der hochfrequenten Impulsbreitenmodulation in den Wechseirichtereinheiten ausgeführt wird. Da ein Regelvorgang beispielsweise alle 100 µs ausgeführt wird, wenn die Schaltfrequenz 10 kHz ist, wird ein auf eine Störung, wie z.B. eine schnelle Laständerung, bezogener Übergang in der Dauer von höchstens dem Zehnfachen von 100 µs abgeschlossen, womit ein ausgezeichnetes Regelverhalten erreicht werden kann.
Wenn die Reaktion und die Präzision der Spannungsregelsysteme der ersten und zweiten Wechselrichtereinheit 1 und 2 dieselben sind, kann das vorstehende Regelsystem einen Querstrom verhindern. Tatsächlich ist es jedoch aufgrund Unterschieden in der Präzision von Bauteilen, der Regelverstärkung, der Hauptkreiskonstante usw. schwierig, einen stabilen Parallelbetrieb der Wechselrichtereinheiten ohne Auftreten eines kleinen Querstroms auszuführen. Wenn beispielsweise die Spannungssensoren der ersten und zweiten Wechselrichtereinheit 1 und 2 Fehler von -0,5% bzw. +0,5% aufweisen, beträgt die Ausgangsspannungsdifferenz ΔV bei getrenntem Betrieb der Wechselrichtereinheiten 1 und 2 gleich 1%. Wenn angenommen wird, daß die Leitungsimpedanz zwischen den Wechselrichtereinheiten 1 und 2 kleiner als 1% ist, fließt ein Querstrom von mehr als 100%.
Die vorliegende Erfindung unterdrückt den Querstrom durch den Aufbau einer Regelschaltung in der Form, als ob nur eine Impedanz bezüglich des Querstromes vorhanden wäre, welcher zwischen Wechselrichtereinheiten fließt. Wenn angenommen wird, daß ein Querstrom ΔI&sub1; aus I&sub1; - IL1* erhalten wird und ein Übertragungsfunktion einer virtuellen Impedanz gleich Z ist, berechnet die Virtualimpedanz-Schaltung 405a für die Querstromunterdrückung ΔI&sub1; x Z, und ein erhaltenes Signal wird von dem Ausgangssignal V* der Referenzausgangsspannung- Erzeugungsschaltung 7 durch den Subtrahierer 504a subtrahiert, um so eine Sollspannung V&sub1;* für den Kondensator 102 zu erhalten. Die Spannung des Kondensators 102 folgt über das vorstehend erläuterte Spannungsregelsystem unmittelbar der Sollspannung V&sub1;*.
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, welches das in Fig. 1 dargestellte Parallel-Wechselrichtersystem vereinfacht. Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird nun beschrieben, daß die Wechselrichtereinheit 1 und 2 jeweils eine nur auf den Querstrom bezogene Ausgangsimpedanz Z aufweisen und als Spannungsquelle mit niedriger Impedanz in Bezug auf anderen Stromkomponenten als den Querstrom arbeiten. Die Bezugszeichen 700a und 700b bezeichnen Übertragungsfunktionen der ersten und zweiten Wechselrichtereinheit 1 und 2 zwischen den Spannungssollwerten V&sub1;* und V&sub2;* und den entsprechenden Ausgangsspannungen. Die folgenden Bezeichnungen werden nun definiert, obwohl einige davon vorstehend bereits verwendet wurden:
VB:Spannung des Ausgangssammelleiters
V*: Sollwert der Ausgangsspannung
V&sub1;*: Sollwert der Kondensatorspannung der ersten Wechselrichtereinheit
V2*: Sollwert der Kondensatorspannung der zweiten Wechselrichtereinheit
IL: Laststrom
I&sub1;:Ausgangsstrom der ersten Wechselrichtereinheit
I&sub2;:Ausgangsstrom der zweiten Wechselrichtereinheit
ΔI&sub1;:Querstrom der ersten Wechselrichtereinheit (= I&sub1; - IL/2)
ΔI&sub2; Querstrom der zweiten Wechselrichtereinheit (= I&sub2; - IL/2)
G1: Übertragungsfunktion des Spannungsregelsystems der ersten Wechselrichtereinheit
G2: Übertragungsfunktion des Spannungsregelsystems der zweiten Wechselrichtereinheit
Z: Wert der virtuellen Impedanz zur Querstromunter drückung
Dann werden die Beziehungsgleichungen, welche die Auswirkung der virtuellen Impedanz zur Unterdrückung des Querstroms darstellen, unter Verwendung der vorstehenden Bezeichnungen erhalten.
Nach dem Kirchhoff'schen Gesetz gilt der nachstehende Ausdruck:
IL = I1 + 1&sub2; (1)
ΔI&sub1; und ΔI&sub2; werden durch die nachstehenden Ausdrücke gemäß Ausdruck (1) erhalten:
ΔI&sub1; = I&sub1; - IL/2 = (I&sub1; - I&sub2;)/2 (2)
ΔI&sub2; = I&sub2; - IL/2 = (I&sub2; - I&sub1;)/2 (3)
Daher gilt:
ΔI&sub2; = -ΔI&sub1; (4)
Gemäß Fig. 4 und dem Ausdruck (4) werden V&sub1;* und V&sub2;* anhand der nachstehenden Ausdrücke gefunden:
V&sub1;* = V* - Z x ΔI&sub1; (5)
V&sub2;* = V* - Z x Δ I&sub2; = V* +* Z x ΔI&sub1; (6)
Die Definition von G&sub1; und G&sub2; läßt die nachstehenden Ausdrücke entstehen:
VB = V&sub1;* x G&sub1; (7)
VB = V&sub2;* x G&sub2; (8)
Die Ausdrücke (5) bis (8) führen zu den nachstehenden Ausdrücken:
VB = V* x G&sub1; - Z x ΔI&sub1; x G&sub1; (9)
VB = V* x G&sub2; + Z x ΔI&sub1; x G&sub2; (10)
ΔI&sub1; wird gemäß den Ausdrücken (9) und (10) wie folgt gefunden:
ΔI&sub1; = V*/Z x G&sub1; - G&sub2;/ G&sub1; + G&sub2; (11)
Ferner wird VB gemäß Gleichung (9) und (10) wie folgt gefunden:
VB = V* x G&sub1; + G&sub2;/2 - Z x ΔI&sub1; x G&sub1; - G&sub2;/2(12)
Der Ausdruck (11) deckt auf, daß der Querstrom durch den virtuellen Impedanzwert Z unterdrückt werden kann. Da G&sub1; und G&sub2; durch Verwendung des vorgenannten verzögerungsfreien Spannungsregelsystems die Verstärkung bei der Ausgangsfrequenz nahezu zu 1 machen können, kann der Ausdruck (11) durch den nachstehende Ausdruck angenähert werden.
Δ I&sub1; V* x (G&sub1; - G&sub2;)/2 x Z (13)
Wenn angenommen wird, daß eine Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der Wechselrichtereinheiten 1 und 2 im Falle eines getrennten Betriebes gleich ΔV ist, wird der Ausdruck (13) durch den nachstehenden Ausdruck ersetzt:
ΔI&sub1; ΔV/2 x Z (14)
Wenn beispielsweise ΔV gleich 1% ist und Z gleich 50% ist, ist ein Querstrom ΔV/(2 X Z) = 1/100 = 1%.
Durch Einsetzen des Ausdrucks (13) anstelle von ΔI&sub1; des zweiten Terms auf der rechten Seite des Ausdrucks (12) wird die nachstehende Gleichung erhalten:
Da ΔV klein ist, etwa 1%, kann(ΔV)² = 0 angenommen werden. Daher bleibt nur der erste Term auf der rechten Seite des Ausdrucks (12) stehen, was zu dem nachstehenden Ausdruck führt.
VB V* G&sub1; + G&sub2;/2
Der Ausdruck (16) deckt auf, daß die Spannung VB des Sammelleiters im Parallelbetrieb der Wechselrichtereinheiten 1 und 2 einem Mittelwert des Ausgangsspannungswertes der Wechselrichtereinheiten 1 und 2 im getrennten Betrieb entspricht und nicht von der virtuellen Impedanz Z beeinflußt wird.
Z kann jede beliebige Übertragungsfunktion, wenn sie einen geeigneten Impedanzwert zum Unterdrücken des Querstromes bei der Ausgangsfrequenz der Virtualimpedanz-Schaltung 405a aufweist. Beispielsweise hat Z die Funktion eines Widerstan des im Falle einer Vergleichschaltung, einer Drossel im Falle einer Differentialschaltung und eines Kondensators im Falle einer Integralschaltung. In dem Falle einer Vergleichs-, Differential- und Integral-Kombinationsschaltung funktioniert Z wie eine Schaltung, welche einen Widerstand, einen Kondensator und eine Drossel kombiniert. Des weiteren kann Z stabil einen Querstrom sogar in einer Schaltung unterdrücken, welche ein nicht-lineares Element aufweist, wie z.B. ein Vorzeichenasymmetrischer Begrenzer, wenn er einen ausreichenden Impedanzwert aufweist, um den Querstrom bei der Ausgangsfrequenz zu unterdrücken.
Fig. 5 stellt eine Stromdetektionsschaltung zum Detektieren eines Querstromes und eines von den Wechseirichtereinheiten zu übernehmenden Teilstromes dar. Diese Schaltung ist allgemein bekannt und ihre Funktionsweise wird nur kurz dis kutiert. Es werde beispielsweise angenommen, daß die drei Wechselrichtereinheiten INV-1, INV-2 und INV-3 I&sub1; = 90 A, I&sub2; = 100 A bzw. I&sub3; = 110 A ausgeben, wenn ein Laststrom IL = 300 A beträgt. Die Ausgangsströme der Wechselrichtereinheiten INV-1 bis INV-3 werden von Stromsensoren CT-1 bis CT-3 gemes sen, und Lastwiderstände R&sub1;&sub1;, R&sub2;&sub1; und R&sub3;&sub1; mit gleichen Widerstandswerten sind mit den Stromsensoren CT-1 bis CT-3 verbunden und erzielen dadurch beispielsweise Spannungen von 9 V, 10 V und 11 V. Diese Spannungen entsprechen den Ausgangsströmen der Wechselrichtereinheiten INV-1 bis INV-3. Wenn die Lastwiderstände R&sub1;&sub1;, R&sub2;&sub1; und R&sub3;&sub1; mit Widerständen R&sub1;&sub2;, R&sub2;&sub2; und R&sub3;&sub2; mit demselben ausreichenden Widerstandswert gemäß Darstellung in Fig. 5 verbunden werden, wird eine Spannung von (9 + 10 + 11)/3 = 10 V in jedem der Widerstände R&sub1;&sub2;, R&sub2;&sub2; und R&sub3;&sub2; erhalten. Diese Spannung entspricht 1/3 des Laststromes IL, d.h., einem Wert, der von den Wechselrichtereinheiten INV-1 bis INV-3 zu übernehmen ist. Daher werden, da ein zu übernehmender Strom zwischen den Punkten X1 und X2 und eine dem Querstrom entsprechende Spannung zwischen den Punkten X1 und X3 in der Wechselrichtereinheit INV-1 erhalten wird, der Strom und die Spannung getrennt in die Regelschaltung eingeführt. Des weiteren werden zum Beenden des Betriebes der Wechselrichtereinheit INV-1 ein Schalter S&sub1;&sub2; eingeschaltet, die Spannungen der Widerstände R&sub2;&sub2; und R&sub3;&sub2; jeweils auf 15 V gesetzt, und die gesamte Last auf die zwei anderen Wechselrichtereinheiten INV-2 und INV-3 verschoben. Dann wird ein Schalter S11 eingeschaltet, und die Wechselrichtereinheiten INV-1 gleichzeitig abgeschaltet.
Obwohl es in der vorstehenden Beschreibung nicht erwähnt ist, daß der Strom und die Spannung als Vektorbetrag ausgedrückt werden, um die Beschreibung zu vereinfachen, gilt dieselbe Beziehung auch dann, wenn diese als Vektorbetrag ausgedrückt werden.
Obwohl das in Fig. 1 dargestellte vorstehende Regelungsverfahren für einen einphasigen Wechselrichter verwendet wird, kann es auch auf einen dreiphasigen Wechselrichter angewendet werden, wenn eine ähnliche Regelschaltung in jeder Phase oder in zwei Phasen des dreiphasigen Wechselrichters angeordnet wird.
Eine zweite Ausführungsform, in welcher die vorliegende Erfindung auf ein Regelsystem angewendet wird, welches in der Lage ist, ausgezeichnete Eigenschaften in einem dreiphasigen Wechselrichter oder Umrichter zu erzielen, und welches das synchrone Rotationskoordinatensystem in Bezug auf die d-q Achse verwendet, wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.
Obwohl das in Fig. 6 dargestellte System nahezu denselben Aufbau wie das der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aufweist, unterscheidet es sich erheblich darin, daß es vier Drei-Phasen/Zwei-Phasen-Umwandlungsschaltungen 600 bis 603 und eine Zwei-Phasen/Drei-Phasen-Umwandlungsschaltung 604 enthält. Eine dreiphasige Sinussignalschaltung 408 und eine PLL-Schaltung 407 zum Synchronisieren der dreiphasigen Sinussignalschaltung 408 mit einer Ausgangssammelleiterspannung VB geben die nachstehenden sechs dreiphasigen Sinussignale als die Kriterien für die Umwandlung der uvw-Koordinaten und der dq-Koordinaten aus:
(wobei φ normalerweise 0 ist.)
Die Betrieb sweisen der Drei-Phasen/ Zwei-Phasen-Umwandlungsschaltungen werden nun beschrieben. Die dreiphasigen Ausgangssignale aus einem Stromsensor 201, einer Stromdetektionsschaltung 406a und einem Spannungssensor 300 werden repräsentativ als eine Matrix X = Spalte [Xu, Xv, Xw] ausgedrückt. Durch Multiplikation mit der nachstehenden Umwandlungsmatrix C wird die Matrix X in einen Gleichstrom- Signalvektor Y = Spalte [Ys, Yq] auf der d-q Achse umgewandelt.
In den vorstehenden Ausdrücken bezeichnete Buchstaben mit dem Zeichen auf der Oberseite eine Matrix und der Buchstabe mit auf der Oberseite bezeichnet den Vektorbetrag der d-q Achse. Entsprechende Buchstaben in den Zeichnungen sind dieselben wie die Vorstehenden.
Wenn bei einer derartigen Umwandlung die Ausgangssollspannung V* durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt wird,
wird dann der Wert auf der d-q Achse durch die nachstehende Gleichung erhalten:
Wenn die Kapazität des Kondensator 102 gleich Cp ist, ist ein an den Kondensator zu liefernder Stromsollwert d-q Vektor Ic* gleich:
Somit sind die dreiphasige Referenzausgangsspannung und der Referenzkondensatorstrom konstante Gleichstromwerte auf der d-q Achse.
Die Regelung und Berechnüng wird unter Verwendung eines in Bezug auf die d-q Achse umgewandelten Signals in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgeführt.
Da das Regelsystem der drei Phasen von U, V und W ein Folgeregelsystem ist, können Fehler mit einiger Wahrscheinlichkeit sogar im eingeschwungenen Zustand bewirkt werden, da es deshalb, weil dieses Regelsystem die Regelung mit einem festgelegten Sollwert ausführt, möglich ist, eine Regelung zu erhalten, welche grundsätzlich geringe Fehler bewirkt.
Wenn das Ergebnis der Regelung und Berechnung auf der d-q Achse mit einer inversen Umwandlungsmatrix C&supmin;¹ der Umwandlungsmatrix C, ausgedrückt in dem nachstehenden Ausdruck, durch die Zwei-Phasen/Drei-Phasen-Umwandlungsschaltung 604 multipliziert wird, wird das Ergebnis wieder auf ein Drei Phasen-System zurückgeführt und an die PWM-Schaltung 400 beliefert.
Fig. 7 stellt eine dritte Ausführungsform dar, welche orthogonale αβ-Koordinaten anstelle der dq-Koordinaten verwendet.
Obwohl die dritte Ausführungsform nahezu denselben Aufbau wie den der zweiten Ausführungsform aufweist, unterscheidet er sich erheblich dadurch, daß Drei-Phasen/Zwei-Phasen- Umwandlungsschaltungen 800 bis 803 und eine Zwei-Phasen/Drei- Phasen-Umwandlungsschaltung 804 nicht die Umwandlung zwischen den uvw-Koordinaten und den dq-Koordinaten, sondern die Umwandlung zwischen den uvw-Koordinaten und den αβ-Koordinaten ausführen. Bei der Umwandlung zwischen den uvw-Koordiaten und den uvw-Koordinaten wird die Umwandlungsmatrix C&sub1; und die inverse Umwandlungsmatrix C&sub1;&supmin;¹ durch Festlegen von ωt auf einen festen Wert (beispielsweise ωt = π/2) in den Gleichungen (17) und (18) erhalten, und dieselbe Berechnung wie die in der zweiten Ausführungsform ausgeführt. Da ωt ein fester Wert ist, sind die dreiphasige Sinussignalschaltung 408 und die PLL-Schaltung 407 für die Regelung auf der d-q Achse nicht erforderlich.
Da die Komponenten der Umwandlungsmatrix C&sub1; und der inversen Umwandlungsmatrix C&sub1;&supmin;¹ Konstanten sind, werden die dreiphasige Referenzausgangsspannung und der Kondensatorreferenzstrom in Wechselstrom auf den αβ-Koordinaten ausgedrückt und die Folgeregelung ähnlich zu der Regelung der drei Phasen U, V und W ausgeführt.
Obwohl die Regelbarkeit durch Liefern eines Wertes des Stroms, der in den Kondensator 102 des Ausgangsfilters in dem Wechselrichter fließen soll, als ein Sollwert der Strom- Unterregelschleife in der vorstehenden ersten bis dritten Ausführungsform verbessert wird, kann die Kondensatorreferenzstrom-Erzeugungsschaltung 404 in jeder Ausführungsform weggelassen werden. Dieses beruht darauf, daß deshalb, weil die Spannungsregelschaltung 403 so arbeitet, daß die Ausgangsspannung der ersten Wechselrichtereinheit 1 mit der Referenzausgangsspannung V1* übereinstimmt, und dann ein Signal erzeugt, um das dem Kondensatorreferenzstrom entsprechende Signal zu ersetzen, die Spannungsregelschaltung 403 als ein Regelsystem für den Sinus-Wechselrichter ohne jede Störung funktioniert. In diesem Falle wird die Spannungsabweichung um so kleiner, je höher der Verstärkungsfaktor der Spannungsregelschaltung 403 ist.
Obwohl die Regelschaltung in der vorstehenden Beschreibung eine verzögerungsfreie Spannungsregelung mit einer Strom-Unterregelschleife ist, ist es dann, wenn die Spannungsregelschaltung die Ausgangsspannung mit hoher Geschwin digkeit ohne die Notwendigkeit irgendeiner Strom-Unterregelschleife regeln kann, möglich, Wechselrichter mit Wechselstromausgang stabil parallel zu betreiben, indem eine virtuelle Impedanzschaltung zur Unterdrückung des Querstromes hinzugefügt wird.
Des weiteren kann, obwohl die vorliegende Erfindung für den Parallelbetrieb von Wechselrichtern verwendet wird, das Prinzip der vorliegenden Erfindung auch auf einen anderen Umrichter angewendet werden, der eine verzögerungsfreie Spannungsregelung ausführen kann, wie z.B. auf einen Hochfrequenz-Verbindungsumrichter, als die Kombination eines Hochfrequenz-Wechselrichters und eines Direktumrichters zum Umwandeln eines Gleichstromes in eine hochfrequente Rechteckwelle und eine niederfrequente Sinuswelle gemäß Darstellung in Fig. 8.
In dem in Fig. 8 dargestellten Umrichter wird eine in Fig. 9 dargestellte Rechteckwelle S&sub3; auf der Sekundärseite eines Transformators TR durch Umschalten zwischen den Transistoren Q&sub1; bis Q&sub4; erhalten. Dann wird eine Sägezahnwelle S&sub4; synchron mit dem Umschaltvorgang des Wechselrichters ausge bildet, und ein Signal S&sub6;, welches an dem Schnittpunkt der Sägezahnwelle S&sub4; und eines Ausgangsspannungssollsignals S&sub5; ein und ausgeschaltet wird, erhalten. Einer der Schalter Q&sub5; und Q6 des Direktumrichters wird auf der Basis des Signals S6 und der Polarität einer Spannung RS des Wechselrichters aus gewählt, wodurch ein Spannungssignal S&sub7; erhalten wird, das dem Signal S&sub5; zwischen N und P in Fig. 8 entspricht.
Gemäß vorstehender Beschreibung kann die in Fig. 8 dargestellte Schaltung eine einphasige PWM-Spannung erzielen, die äquivalent zu der der in Fig. 2b dargestellten Schaltung ist. Des weiteren kann in dem Falle eines dreiphasigen Ausgangs ein dreiphasiger Hochfrequenz-Verbindungsumrichter unter Einsatz von drei Schaltungen, wovon jede dieselbe wie die auf der Sekundärseite des Transformators TR gemäß Darstellung in Fig. 8 ist, verwendet werden.
Das in den vorstehenden Ausführungsformen beschriebene Prinzip kann durch eine diskrete Schaltung unter Verwendung eines analogen Operationsverstärkers usw. oder mittels Software für die Ausführung einer digitalen Verarbeitung unter Verwendung eines Mikroprozessors oder eines digitalen Signalprozessors realisiert werden.
Obwohl vorstehend zwei Wechselrichter mit gleicher Kapazität beschrieben wurden, um die Beschreibung zu vereinfachen, kann die vorliegende Erfindung auch auf den Parallelbetrieb von n Wechselrichtern mit verschiedenen Kapazitäten angewendet werden. In diesem Falle teilen sich dann, wenn die Stromsensoren CT-1, CT-2 und CT-3 und die Widerstände R&sub1;&sub1;, R&sub2;&sub1; und R&sub3;&sub1;, dargestellt in Fig. 5, den Leistungskapazitäten der Wechselrichter entsprechend geändert werden und dieselbe Spannung an den Anschlüssen der Widerstände R&sub1;&sub1;, R&sub2;&sub1; und R&sub3;&sub1; erhalten wird, wenn der Nennstrom angelegt wird die Wechselrichter jeweils die Last jeweils proportional zu deren entsprechenden Leistungskapazitäten auf.
Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein dem Querstrom entsprechendes Signal in einem Strom zwischen Wechselrichtern an eine verzögerungsfreie Spannungsregelschaltung angelegt, um einen Momentanwert einer Ausgangsspannung zu regeln. Daher ist es möglich, den Querstrom in einer einfachen Schaltung sofort zu unterdrücken.

Claims

1. Parallel-Wechselrichtersystem mit:

mehreren Wechselstrom ausgebenden Wechselrichtern (1, 2) eines Typs mit verzögerungsfreier Spannungsregelung;

einem Sammelleiter (3) zum Verbinden der Ausgänge der mehreren Wechselrichter mit einer Last (4), um so den Laststrom aufzuteilen;

einer Drossel (101) und einem Kondensator (102), die als Filter dienen;

einer Stromdetektionsschaltung (406) zum Detektieren

einer Querkomponente in einem ?wischen den Wechselrichtern fließenden Strom; und

einer Spannungsregelschaltung (403) zum Regeln der Ausgangsspannung der Wechselrichter, um so die von der Stromdetektionsschaltung detektierte Querstromkomponente zu unterdrücken,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stromdetektionsschaltung (406) einen Querstrom (ΔI) der entsprechenden Wechselrichter ausgibt; und

der Querstrom an eine Virtualimpedanz-Schaltung (405a) ausgegeben wird, um den entsprechenden Wechselrichter (1, 2) dazu zu veranlassen, eine spezifische Ausgangs-Impedanz (Z) bezüglich des Querstromes (ΔI) aufzuweisen,

durch welche Schaltung eine Spannung (ΔI x Z) auf der Basis des Querstroms (ΔI) und der spezifischen Impedanz (Z) berechnet wird, welche Spannung von einem Ausgangssignal (V*) einer Referenzausgangsspannung-Erzeugungsschaltung (7) von einem Subtrahierer (504a) subtrahiert wird, um so eine Spannungs-Sollsignal (Vi*) für den Kondensator (102) zu erzielen, dessen Spannung dem Spannungs-Sollsignal über das Spannungsregelsystem folgt.

2. Parallel-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1, wobei die Spannungsregelschaltung (403) die Spannung der Wechselrichter (1, 2) so regelt, daß sie eine vorgegebene Impedanz bezüglich der Querstromkomponente und eine niedrige Impedanz bezüglich anderer Stromkomponenten als die Querstromkomponente aufweisen.

3. Parallel-Wechselrichtersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der mehreren Wechselrichter (1, 2) Arme seiner Phasen mehrere Male während eines Zyklusses schaltet, um so einen Momentanwert des Ausgangsspannungswertes zu regeln.

4. Parallel-Wechselrichtersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder der mehreren Wechselrichter (1, 2) eine dreiphasiger Wechselrichter mit Wechselstromausgang ist.

5. Parallel-Wechselrichtersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der mehreren Wechselrichter (1, 2) einen Momentanwert der Ausgangsspannung auf der Basis von zwei Komponenten synchroner Rotationskoordinaten regelt.

6. Parallel-Wechselrichtersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der mehreren Wechselrichter (1, 2) einen Momentanwert der Ausgangsspannung auf der Basis von zwei Komponenten von Orthogonalkoordinaten regelt.

7. Parallel-Wechselrichtersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder der mehreren Wechselrichter (1, 2) eine Strom-Unterregelschleife zum Regeln eines Momentanwertes des Ausgangsstromes aufweist.

8. Parallel-Wechselrichtersystem nach Anspruch 7, welches ferner einen Stromsensor (201) zum Detektieren eines Laststromwertes als einem Stromsollwert (IA1*) für die Strom-Unterregelschleife jedes Wechselrichters (1, 2) aufweist.