EP3642932A1 - Apparatus and method for active generation and application of reactive power in inductive transmission systems - Google Patents
Apparatus and method for active generation and application of reactive power in inductive transmission systemsInfo
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- EP3642932A1 EP3642932A1 EP18756145.1A EP18756145A EP3642932A1 EP 3642932 A1 EP3642932 A1 EP 3642932A1 EP 18756145 A EP18756145 A EP 18756145A EP 3642932 A1 EP3642932 A1 EP 3642932A1
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Definitions
- the inventive method can also be characterized in that the compensation is detuned in operation by impressing a reactive power in the compensated coil system (4) to control at least one electrical variable of the inductive transmission system (12), preferably the flooding of the primary coil (Li ) and / or the voltage at the primary or secondary coil (L 2 ) is regulated.
- intelligent charging management also makes it possible for the end-user to participate in the fluctuating prices of the electricity market by automating the electric vehicle, e.g. in windless weather, a part of the stored energy is fed back into the power grid, for which the user is paid, and with high feed-in of renewable energy
- the simulated inductive transmission system (12) is shown schematically in FIGS. 3a to 3c. This is in each case analogous to FIG. 1 from the feeding inverter (5), the compensated coil system (4), the rectifier (9), the output filter (10) and the DC load (1 1) together.
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Abstract
The invention relates to apparatus (3) and a method for the active generation and application of reactive power in an inductive transmission system (12), the apparatus comprising at least one device (1) for the active generation of reactive power. The reactive power can be actively generated by a power electronics actuator comprising at least one power electronics circuit (1.1) and an intermediate electric energy store (1.2). The apparatus also comprises a device (2) for coupling in reactive power and the reactive power generated by the device (1) can be coupled into the inductive transmission system (12) by means of a capacitor.
Description
VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR AKTIVEN ERZEUGUNG UND DEVICE AND METHOD FOR ACTIVE PRODUCTION AND
EINPRÄGUNG VON BLINDLEISTUNG IN INDUKTIVE ÜBERTRAGUNGSSYSTEM IMPRINTING BLIND OUTPUT IN INDUCTIVE TRANSMISSION SYSTEM
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur aktiven Erzeugung und Einprägung von Blindleistung in induktive Übertragungssysteme. The invention relates to an apparatus and a method for actively generating and impressing reactive power in inductive transmission systems.
Bei der kontaktlosen Energieübertragung über schwach gekoppelte Spulen entstehen große Streufelder, aus denen ein großer Blindleistungsbedarf des Übertra- gungssystems resultiert. Für eine effiziente Energieübertragung ist es daher notwendig, die induktive Blindleistung zu kompensieren. Dafür werden primär- und sekundärseitig Kondensatoren eingesetzt, deren Dimensionierung wesentlich das Systemverhalten bestimmt. Dabei ist der hohe Wirkungsgrad induktiver Übertragungssysteme im Bereich von - und teilweise sogar oberhalb - 90% bekannt. Bekannt ist ebenfalls, dass sich diese hohe Effizienz dabei immer auf den Nennarbeitspunkt bezieht, das heißt bei Volllast, optimalem Abgleich und optimaler Positionierung. Bei Teillast oder Parameter- bzw. Positionsvariationen sinken der Wirkungsgrad und die übertragbare Wirkleistung infolge der hohen Sensitivität des Übertragungssystems gegenüber Parametervariationen rapide. Insbesondere der steigende Blindleistungsbedarf des Spulensystems bei Fehlpositionierung führt neben einer schlechteren Effizienz auch zu erhöhten Magnetfeldemissionen und zu schlechteren Schaltbedingungen der Leistungshalbleiter, weshalb eine Überdimensionierung notwendig wird. In contactless energy transmission via weakly coupled coils, large stray fields result, which result in a large reactive power demand of the transmission system. For efficient energy transfer, it is therefore necessary to compensate for the inductive reactive power. For this purpose, primary and secondary capacitors are used whose dimensioning essentially determines the system behavior. The high efficiency of inductive transmission systems in the range of - and sometimes even above - 90% is known. It is also known that this high efficiency always refers to the nominal working point, that is to say at full load, optimum balance and optimum positioning. At partial load or parameter or position variations, the efficiency and the transferable active power decrease rapidly due to the high sensitivity of the transmission system to parameter variations. In particular, the increasing reactive power demand of the coil system in case of incorrect positioning leads not only to poorer efficiency but also to increased magnetic field emissions and to poorer switching conditions of the power semiconductors, which is why over-dimensioning is necessary.
Durch eine Nachführung des idealen Abgleichs können die aufgezeigten Nachteile vermieden werden. So entsteht bei allen untersuchten Störeinflüssen kein erhöh- ter Blindleistungsbedarf des Übertragungssystems, wodurch sich bei Parameter- und Positionierungsvariationen die übertragbare Wirkleistung und der Wirkungsgrad bei gleichzeitiger Senkung der Systemkosten erhöhen ließen. Im Betrieb der Einrichtungen werden zur Nachführung des Abgleichs ideale kontinuierlich verstellbare, Kapazitäten angenommen. Die Realisierung dieser variablen Kompen- sation erweist sich jedoch als schwierig.
Bei der Regelung induktiver Übertragungssysteme können primärseitige und se- kundärseitige Regelverfahren unterschieden werden. Da die zu regelnde Ausgangsgröße an der Sekundärseite anliegt, bedarf es bei primärseitigem Regelver- fahren eines zusätzlichen Kommunikationskanals, welcher die System komplexität erhöht und die Regeldynamik einschränkt. Zudem eignet sich die primärseitige Regelung nicht für Systeme mit mehreren Abnehmern, wodurch das Einsatzfeld eingeschränkt wird. Bei der sekundärseitigen Regelung wird im Wesentlichen zwischen der Regelung mit einem zusätzlichen DC/DC-Wandler und der Kurzschlusssteuerung unterschieden. Wird zur Regelung ein DC/DC-Wandler eingesetzt, ist neben dem aktiven Stellglied ein DC-Zwischenkreis notwendig, der den erforderlichen Bauraum, das Gewicht und die Systemkosten erhöht. Mithilfe der Kurzschlusssteuerung kann bei Systemen mit Stromausgang durch Kurzschließen der Last die Ausgangsleistung begrenzt werden. By tracking the ideal balance, the disadvantages can be avoided. Thus, no interference power requirement of the transmission system is created for all examined disturbances, whereby the transferable active power and the efficiency with simultaneous reduction of the system costs could be increased with parameter and positioning variations. During operation of the devices, ideal continuously adjustable capacities are assumed for tracking the adjustment. The realization of this variable compensation, however, proves to be difficult. When regulating inductive transmission systems, a distinction can be made between primary and secondary control methods. Since the output variable to be regulated is applied to the secondary side, in the case of a primary-side control method, an additional communication channel is required, which increases the system complexity and restricts the control dynamics. In addition, the primary-side control is not suitable for systems with multiple customers, which limits the field of application. In the case of secondary-side regulation, a distinction is essentially made between the regulation with an additional DC / DC converter and the short-circuit control. If a DC / DC converter is used for control, a DC link is necessary in addition to the active actuator, which increases the required installation space, weight and system costs. Short-circuit control can be used to limit output power in systems with current output by shorting the load.
Bei Systemen mit Spannungsausgang kann - analog zum Kurzschließen des Lastkreises bei Systemen mit Stromausgang - der Lastkreis geöffnet, d.h. es wird mit einer Leerlaufsteuerung gearbeitet, um die Ausgangsleistung zu begrenzen. Dabei wird, neben der Einsparung des DC-Zwischenkreises, ein höherer Wirkungsgrad als bei Verwendung eines DC/DC-Wandlers erreicht. Mit beiden Verfahren lässt sich die Ausgangsleistung nur begrenzen. Eine Erhöhung der abgenommenen Leistung, z. B. bei Fehlpositionierung, ist nicht möglich. For systems with a voltage output, the load circuit can be opened, as in short-circuiting the load circuit in systems with current output. an idle control is used to limit the output power. In this case, in addition to saving the DC link, a higher efficiency than when using a DC / DC converter is achieved. Both methods limit the output power only. An increase in the power consumed, e.g. B. incorrect positioning, is not possible.
Bekannt ist ebenfalls, dass sich die Manipulation der Abgleichkondensatoren im Betrieb auch zur sekundärseitigen Regelung der Ausgangsgrößen eignet. Dabei kann durch Senkung der aufgenommenen Scheinleistung, bei gleicher Wirkleistungsaufnahme der Sekundärseite, ein hoher Wirkungsgrad im Teillastbereich er- zielt werden. Dazu ist allerdings ein kontinuierlicher, dynamischer und verlustarmer Stelleingriff zur Manipulation der Kompensationskondensatoren im Betrieb nötig, wofür momentan kein praktikables Stellglied existiert. It is also known that the manipulation of the balancing capacitors during operation is also suitable for the secondary-side regulation of the output variables. By lowering the apparent power absorbed, with the same active power consumption of the secondary side, a high efficiency in the partial load range can be achieved. For this purpose, however, a continuous, dynamic and low-loss control intervention for the manipulation of the compensation capacitors is necessary in operation, for which there is currently no practical actuator.
Bekannt ist ebenfalls eine Vorrichtung, in welcher für einen variablen Kompensati- onskondensator eine geschaltete feste Impedanz mit PWM-Ansteuerung vorliegt. Dabei sollte die Schaltfrequenz mindestens der Resonanzfrequenz entsprechen. Eine Ansteuerung mit einer deutlich höheren Frequenz ist aufgrund der hohen
Resonanzfrequenz nicht praktikabel, so dass die variable Kapazität durch Zuschalten einer festen Impedanz für n Schaltperioden erzeugt wird und die Schaltvorgänge mit den Nulldurchgängen der Spannung über den Schalter synchroni- siert werden. Hierdurch entsteht jedoch eine diskontinuierliche Belastung des speisenden Wechselrichters, was zu einer Schwingneigung des Wechselrichterausgangsstromes führt. Hieraus resultieren erhöhte Verluste auf der Primärseite, erhöhte Magnetfeldemissionen und schlechtere Schaltbedingungen der Leistungshalbleiter. Also known is a device in which there is a switched fixed impedance with PWM control for a variable compensation capacitor. The switching frequency should correspond at least to the resonance frequency. A control with a much higher frequency is due to the high Resonant frequency is not practical, so that the variable capacitance is generated by connecting a fixed impedance for n switching periods and the switching operations are synchronized with the zero crossings of the voltage across the switch. However, this results in a discontinuous load of the feeding inverter, which leads to a tendency to oscillate of the inverter output current. This results in increased losses on the primary side, increased magnetic field emissions and poorer switching conditions of the power semiconductors.
Dies kann vermieden werden, wenn der Strom durch die zusätzliche Impedanz mit Phasenverschiebungs-Ansteuerung eingestellt wird, wie in WO 2004/105208 A1 offenbart. Allerdings ist bei diesem Ansatz eine Synchronisation der Schaltvorgänge mit den Nulldurchgängen der Spannung über den Schaltern nicht möglich, was aufgrund der harten Schaltvorgänge zu hohen Schaltverlusten und hochfrequenten Oszillationen führt. Ferner ist mit einer hohen Bauteilbelastung durch das Schalten im Resonanzkreis zu rechnen, was die Verwendung von großen, teuren und langsam schaltenden IGBT-Modulen notwendig macht. In DE 10 2015 005 927 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur adaptiven Anpassung der Kompensation mit einer diskreten Kondensatorbank bestehend aus n schaltbaren Kondensatoren beschrieben. Zur Adaption der Kompensation wird vorgeschlagen, diese entweder statisch ein- oder auszuschalten. Hierdurch treten keine transienten Überspannungen durch schnelle Schaltvorgänge an den Schaltern auf. Allerdings ist eine große, schwere und teure Kondensatorbank nötig. Ferner entsteht durch die diskontinuierliche Schrittweite des Kondensa- torarrays ein Fehler im Abgleich, was zu einer geringeren Effizienz und übertragbaren Wirkleistung führt. Zudem eignet sich dieses Verfahren nicht zur kontinuierlichen Regelung der Ausgangsgrößen, weshalb ein weiteres Stellglied notwendig wird. This can be avoided if the current is adjusted by the additional impedance with phase-shift drive, as disclosed in WO 2004/105208 A1. However, with this approach, synchronization of the switching operations with the zero crossings of the voltage across the switches is not possible, resulting in high switching losses and high frequency oscillations due to the hard switching operations. Furthermore, a high component load due to switching in the resonant circuit is to be expected, which necessitates the use of large, expensive and slow-switching IGBT modules. DE 10 2015 005 927 A1 describes a device and a method for the adaptive adaptation of the compensation with a discrete capacitor bank consisting of n switchable capacitors. To adapt the compensation, it is proposed to switch it on or off statically. As a result, no transient overvoltages occur due to rapid switching operations on the switches. However, a large, heavy and expensive capacitor bank is needed. Furthermore, due to the discontinuous step size of the capacitor array, an error occurs in the alignment, which leads to a lower efficiency and transferable active power. In addition, this method is not suitable for the continuous control of the output variables, which is why another actuator is necessary.
In WO 99/26329 wird zur Nachführung des Abgleichs und zur Regelung der Ausgangsspannung eine variable Induktivität beschrieben, deren Permeabilität über einen eingeprägten Gleichstrom verändert wird, um so die Spule gezielt in Sätti- gung zu treiben und die wirksame Induktivität zu variieren. Um mit diesem stark nichtlinearem Stellprinzip einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, ist jedoch ein komplexer Regelalgorithmus mit adaptiver Schrittweite notwendig.
Hierfür kann ein auf Fuzzylogik basierender Suchalgorithmus genutzt werden. Dieser ist applikationsabhängig und muss für jedes System angepasst werden. Ferner ist mit diesem Stellprinzip keine dynamische Regelung möglich, was für einige Anwendungen nicht tolerierbar ist. In WO 99/26329, a variable inductance is described for tracking the compensation and for controlling the output voltage, the permeability of which is changed via an impressed direct current in order to selectively saturate the coil and to vary the effective inductance. However, to ensure stable operation with this highly non-linear control principle, a complex control algorithm with adaptive step size is necessary. For this a fuzzy logic based search algorithm can be used. This is application-dependent and must be adapted for each system. Furthermore, with this control principle no dynamic control is possible, which is not tolerable for some applications.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Überwindung der aufgezeigten Nachteile. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Against this background, the object of the present invention is to overcome the disadvantages mentioned. This object is achieved with a device according to claim 1 and a method according to claim 9. Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung (3) zur aktiven Erzeugung und Einprägung einer Blindleistung in ein induktives Übertragungssystem (12), umfassend zumindest: A device (3) for actively generating and impressing reactive power in an inductive transmission system (12) is proposed, comprising at least:
- eine Einrichtung (1 ) zur aktiven Erzeugung einer Blindleistung, wobei die Blindleistung mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes, umfassend zumindest eine leistungselektronische Schaltung (1 .1 ) und einen elektrischen Energiezwischenspeicher (1 .2), aktiv erzeugbar ist, - A device (1) for the active generation of a reactive power, wherein the reactive power by means of a power electronic actuator, comprising at least one power electronic circuit (1 .1) and an electrical energy buffer (1 .2), is actively generated,
- eine Einrichtung (2) zur Blindleistungseinkopplung, wobei die von der Einrichtung (1 ) erzeugte Blindleistung über einen Transformator in das induktive Übertragungssystem (12) einkoppelbar ist. - A means (2) for reactive power input, wherein the reactive power generated by the device (1) via a transformer in the inductive transmission system (12) can be coupled.
Die Erfindung beruht darauf, Blindleistung aktiv mittels Leistungselektronik, in einem zum induktiven Übertragungssystem parallelen System, zu erzeugen und zur Adaption der Kompensation in das kompensierte Spulensystem (4) einzuspeisen. Dabei ermöglicht die aktive Blindleistungseinprägung eine kontinuierliche, dynam ische und effiziente Variation der Kompensation während des Energieübertragungsprozesses, also im Betrieb, wodurch dieser neue Lösungsansatz das Potential für eine Vielzahl von Vorteilen bietet. Diese sind insbesondere: · Ausgleich von Parametervariationen im Betrieb The invention is based on actively generating reactive power by means of power electronics in a system parallel to the inductive transmission system and feeding it into the compensated coil system (4) for adapting the compensation. The active reactive power injection enables a continuous, dynamic and efficient variation of the compensation during the energy transfer process, ie in operation, whereby this new approach offers the potential for a multitude of advantages. These are in particular: · Compensation of parameter variations during operation
• Erhöhung der Positionierungstoleranz • Increasing the positioning tolerance
• Realisierung einer robusten und hocheffizienten Regelung
• Kostenreduktion durch Vermeidung von Überdimensionierung• Realization of a robust and highly efficient control • Cost reduction by avoiding over-dimensioning
• Mehr Freiheitsgrade im Betrieb induktiver Übertragungssysteme Unter einer„aktiven Erzeugung" ist zu verstehen, dass die Blindleistung mittels Leistungselektronik erzeugt wird. • More degrees of freedom in the operation of inductive transmission systems An "active generation" means that the reactive power is generated by means of power electronics.
Erfindungsgemäß handelt es sich um eine leistungselektronische Schaltung, die zumindest zwei steuerbare Leistungshalbleiterbauelemente umfasst. Neben einer Steuerung für die Leistungselektronik hat sich auch eine Regelung als vorteilhaft erwiesen. According to the invention, this is a power electronic circuit which comprises at least two controllable power semiconductor components. In addition to a controller for the power electronics, a scheme has proven to be advantageous.
Eine Ausbildungsform der Erfindung sieht für die Vorrichtung (3) vor, dass die Speisung der Einrichtung (1 ) zur aktive Blindleistungserzeugung An embodiment of the invention provides for the device (3) that the supply of the device (1) for active reactive power generation
- aus dem induktiven Übertragungssystem (12) oder - from the inductive transmission system (12) or
- aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgt. - Made from an additional source of energy.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass mittels der Einrichtung (1 ) kapazitive und/oder induktive Blindleistung erzeugbar ist. It is further provided that by means of the device (1) capacitive and / or inductive reactive power can be generated.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem oder mehreren Kompensationskondensatoren. Vorteilhafterweise kann die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem Spulensystem (7) erfolgen. In one development of the invention, the reactive power injection (2) takes place in series and / or in parallel with one or more compensation capacitors. Advantageously, the reactive power input (2) in series and / or parallel to a coil system (7) take place.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem kompensierten Spulensystem (4) erfolgt. An embodiment of the invention provides that the reactive power injection (2) takes place in series and / or parallel to a compensated coil system (4).
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Blindleistungseinkopplung (2) auf der Primärseite (P) und/oder auf der Sekundärseite (S) induktiven Übertragungssystems (12) erfolgt.
Vorteilhafterweise erfolgt zumindest eine Blindleistungseinkopplung (2), daneben sind jedoch auch mehrere Blindleistungseinkopplungen möglich. Vorgeschlagen wir ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3), welches dadurch gekennzeichnet ist, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) die Kompensation des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird. Vorteilhafterweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation kontinuierlich im Betrieb des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird oder kontinuierlich nachgeführt wird. A further development of the invention provides that the reactive power injection (2) takes place on the primary side (P) and / or on the secondary side (S) of the inductive transmission system (12). Advantageously, at least one reactive power input (2), but also several reactive power injections are possible. We propose a method for operating the device (3), which is characterized in that the compensation of the inductive transmission system (12) is varied by actively generating and impressing reactive power in the compensated coil system (4). Advantageously, the method is characterized in that the compensation is continuously varied during operation of the inductive transmission system (12) or continuously tracked.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kompensation im Betrieb durch Einprägung einer Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) verstimmt wird, um zumindest eine elektrische Größe des induktiven Übertragungssystems (12) zu regeln, wobei vorzugsweise die Durchflutung der Primärspule (Li ) und/oder die Spannung an der Primär- oder Sekundärspule (L2) geregelt wird. The inventive method can also be characterized in that the compensation is detuned in operation by impressing a reactive power in the compensated coil system (4) to control at least one electrical variable of the inductive transmission system (12), preferably the flooding of the primary coil (Li ) and / or the voltage at the primary or secondary coil (L 2 ) is regulated.
Unter einer„Verstimmung" des induktiven Übertragungssystems (12) wird folgendes verstanden, dass durch aktives Einbringen einer Blindleistung in das kompensierte Spulensystem das induktive Übertragungssystem aus der Resonanz gebracht wird. A "detuning" of the inductive transmission system (12) is understood to mean that the inductive transmission system is brought out of resonance by actively introducing a reactive power into the compensated coil system.
Das Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kompensation im Betrieb verstimmt wird, um zumindest eine elektrische Ausgangsgröße des induktiven Übertragungssystems zu regeln. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Vorrichtung (3) kann dadurch gekennzeichnet sein, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung das Verhältnis zweier elektrischer Größen des induktiven Übertragungssystems variiert wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert wird.
Das Verfahren kann weiterhin auch dadurch gekennzeichnet sein, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung der Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes des speisenden Wechselrichters variiert und/oder begrenzt wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert und/oder begrenzt wird. The method may be characterized in that the compensation is detuned during operation in order to regulate at least one electrical output variable of the inductive transmission system. An embodiment of the method according to the invention for operating the device (3) may be characterized in that the ratio of two electrical variables of the inductive transmission system is varied by active generation and impressing of reactive power, preferably varied continuously during operation. The method can furthermore be characterized in that the phase angle between the output voltage and the output current of the feeding inverter is varied and / or limited by active generation and impressing of reactive power, preferably varied and / or limited continuously during operation.
Die aktive Blindleistungseinprägung stellt eine geeignete Methode zur kontinuierlichen, dynamischen und effizienten Manipulation der Kompensationskapazitäten im Betrieb dar. Erfindungsgemäß lässt sich ein robuster und gleichzeitig hoch effizienter Betrieb induktiver Übertragungssysteme realisieren. Durch Nachführung des Abgleichs im Betrieb können Positionstoleranzen, Bauteiltoleranzen, Temperaturdrift und Alterungserscheinungen der realen Bauelemente automatisiert ausgeglichen werden. Gleichzeitig kann die gezielte Verstimmung der Kompensation zur Regelung der Ausgangsgrößen genutzt werden. The active reactive power injection is a suitable method for the continuous, dynamic and efficient manipulation of the compensation capacity during operation. According to the invention, a robust and at the same time highly efficient operation of inductive transmission systems can be realized. By tracking the adjustment during operation, positional tolerances, component tolerances, temperature drift and aging phenomena of the real components can be automatically compensated. At the same time, the targeted detuning of the compensation can be used to control the output variables.
Dadurch wird zum einen ein weiteres Stellglied, welches sonst zur Regelung notwendig wäre, eingespart und eine Überdimensionierung vermieden, was Kosten und Baugröße minimiert und zum anderen ein höherer Wirkungsgrad im Teillast- bereich erreicht. Diese Aspekte sind insbesondere interessant für Anwendungen mit variabler Positionierung, wie beispielsweise dem induktiven Laden von Elektro- fahrzeugen, und für Anwendungen, die zu einem großen Teil im Teillastbereich betrieben werden, was vielfach zutrifft. Ein Beispiel hierfür sind wiederum Ladesysteme: Moderne Li-Akkus müssen bei kleinem Ladezustand mit einer geringeren Ladespannung als der Nennspannung und bei großem Ladezustand mit einem kleinen Ladestrom geladen werden. Daher befinden sie sich zu einem Großteil des Ladevorgangs im Teillastbereich. Die erfindungsgemäße Lösung führt zu einem deutlich höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich und führt durch die aktive Blindleistungseinprägung zu einer Energieeffizienzsteigerung für den gesamten Ladevorgang, insbesondere bei Ladesystemen höherer Leistung. Ferner ergeben sich mit einer kontinuierlichen Manipulation der Kompensation im Betrieb neue Freiheitsgrade, da die Kompensation ei- nen Einfluss auf zahlreiche Systemparameter hat.
So kann die aktive Blindleistungseinprägung beispielsweise in einer sekundärsei- tigen Regelung zur Anpassung des Strom-/Spannungsverhältnisses genutzt werden, um beim induktiven Laden bei kleiner Ladespannung den Ladestrom zu er- höhen und so die Ladedauer zu verringern. Die erfindungsgemäße Lösung bietet ein Potential zur Realisierung einer Vielzahl von optimierten, applikationsspezifischen Betriebsstrategien induktiver Übertragungssysteme, wodurch sich unmittelbar ein breites Verwertungspotential in induktiven Energieübertragungsanwendungen ergibt. Somit weist die Anwendung der aktiven Blindleistungseinprägung zur Nachführung des Abgleiche im Betrieb, Regelung der Ausgangsgrößen und gezielten Manipulation der Kompensation das Potential auf, vorhandene Anlagen in mehreren Bereichen wesentlich zu erweitern. As a result, on the one hand another actuator, which would otherwise be necessary for control, saved and overdimensioning avoided, which minimizes costs and size and on the other hand achieves a higher efficiency in the partial load range. These aspects are of particular interest for variable positioning applications, such as inductive charging of electric vehicles, and for applications that operate to a large extent in the partial load range, which is often the case. An example for this are in turn charging systems: Modern Li batteries must be charged with a smaller charge state with a lower charge voltage than the nominal voltage and with a high charge state with a small charge current. Therefore, they are to a large part of the charging process in the partial load range. The solution according to the invention leads to a significantly higher efficiency in the partial load range and, due to the active reactive power injection, leads to an increase in energy efficiency for the entire charging process, in particular in charging systems of higher power. Furthermore, with continuous manipulation of the compensation during operation, new degrees of freedom result, since the compensation has an influence on numerous system parameters. For example, the active reactive power injection can be used in a secondary control for adjusting the current / voltage ratio in order to increase the charging current during inductive charging at a low charging voltage and thus to reduce the charging time. The solution according to the invention offers a potential for realizing a multiplicity of optimized, application-specific operating strategies of inductive transmission systems, which immediately results in a broad utilization potential in inductive energy transmission applications. Thus, the application of the active reactive power injection for tracking the adjustments in operation, control of the output variables and targeted manipulation of the compensation has the potential to significantly expand existing systems in several areas.
Die Vorrichtung und das Verfahren können beispielsweise in folgenden Bereichen eingesetzt werden: The device and the method can be used, for example, in the following areas:
- zur induktiven Energieübertragung im Schienenverkehr; damit kann der elektrische/mechanische Verschleiß der Oberleitungen und Stromabnehmer vermieden werden, was den Wartungsaufwand und somit Betriebskos- ten senkt und die Betriebssicherheit, durch Vermeidung von Lichtbögen infolge von Kontaktproblemen, die insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten vermehrt auftreten, erhöht; zudem ist mit einem Ausbau von Hoch- geschwindigkeitsbahnnetzen zu rechnen, für die sich eine kontaktlose Energieversorgung besonders eignet; aufgrund der hohen zu übertragen- den Leistungen und langen Betriebsdauern ist die mit diesem erfinderischen Stellprinzip angestrebte Effizienzsteigerung sowie die Gewährleistung eines robusten Betriebes über die gesamte Lebensdauer der Systeme für dieses Anwendungsfeld von besonderem Interesse; - zur induktiven Energieübertragung, d.h. zum kontaktlosen Laden von Elekt- rofahrzeugen durch den Einsatz von zuverlässigen, effizienten und interoperablen induktiven Ladesystemen; Mithilfe dieser aktiven Blindleistungseinprägung kann ein robuster und ein, über den gesamten Ladevorgang betrachtet, hoch effizienter Betrieb induktiver Ladesysteme in der rea- len Anwendung erreicht werden; Mithilfe des induktiven Ladens von Elekt- rofahrzeugen kann der Ladevorgang vollständig automatisiert werden; dies bietet die Möglichkeit, Elektrof ahrzeuge in ein intelligentes Stromnetz
einzubinden; hierdurch können Elektrofahrzeuge als mobile Energiespeicher die schwankende Einspeisung von Wind- und Solarstrom puffern, um die Stromnetze zu stabilisieren und den Anteil an erneuerbaren Energien im- for inductive energy transmission in rail transport; Thus, the electrical / mechanical wear of the overhead lines and pantograph can be avoided, which reduces the maintenance and thus operating costs and increased operational safety, by avoiding arcing due to contact problems that occur more frequently, especially at higher speeds; In addition, expansion of high-speed rail networks is anticipated, for which a contactless power supply is particularly suitable; due to the high power to be transferred and long operating times, the efficiency increase sought with this inventive control principle and the guarantee of robust operation over the entire service life of the systems are of particular interest for this field of application; - for inductive energy transmission, ie for contactless charging of electric vehicles through the use of reliable, efficient and interoperable inductive charging systems; This active reactive power injection can be used to achieve a robust and highly efficient operation of inductive charging systems in real application, as viewed throughout the charging process; With the inductive charging of electric vehicles, the charging process can be fully automated; this provides the opportunity to connect electric vehicles to an intelligent power grid integrate; As a result, electric vehicles as mobile energy storage devices can buffer the fluctuating feed-in of wind and solar power in order to stabilize the power grids and reduce the proportion of renewable energies in the grid
Netz zu erhöhen; durch ein intelligentes Lademanagement ist es ferner möglich, den Endnutzer an den schwankenden Preisen des Strommarktes zu beteiligen, indem das Elektrofahrzeug automatisiert z.B. bei Windflaute einen Teil der gespeicherten Energie in das Stromnetz zurückspeist, wofür der Nutzer entlohnt wird, und bei hoher Einspeisung von erneuerbarenIncrease network; intelligent charging management also makes it possible for the end-user to participate in the fluctuating prices of the electricity market by automating the electric vehicle, e.g. in windless weather, a part of the stored energy is fed back into the power grid, for which the user is paid, and with high feed-in of renewable energy
Energien zu einem niedrigeren Strompreis die Batterie auflädt; Power to a lower price of electricity charging the battery;
- im Anlagenbau von komplexen Industrieanlagen, wo beispielsweise konstruktionsbedingte Distanzen von einigen Millimetern bis Zentimetern kontaktlos zu überbrücken sind; auch im Bereich der Produktion und Logistik stellt die Versorgung von beweglichen oder rotierenden Verbrauchern wie z.B. fahrerlose Transportsysteme, Gabelstapler, Roboterarme oder Wechselwerkzeugmaschinen, sowie die Energieversorgung von Sensoren und Aktoren in rauen und sicherheitskritischen Umgebungen typische Anwendungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung dar; - in the plant construction of complex industrial plants, where, for example, design-related distances of a few millimeters to centimeters are to be bridged without contact; also in the field of production and logistics, the supply of moving or rotating consumers such as driverless transport systems, forklifts, robotic arms or interchangeable machine tools, as well as the power supply of sensors and actuators in harsh and safety-critical environments typical applications for the device according to the invention;
- im medizintechnischen Bereich, wie beispielsweise bei der kontaktlosen Versorgung von Implantaten, in the field of medical technology, such as in the contactless treatment of implants,
- bei Reinraumapplikationen und aus Hygienegründen in der Lebensmittelindustrie, - in clean room applications and hygiene reasons in the food industry,
- zum kontaktlosen Laden von Kleingeräten wie Zahnbürsten oder Smart- phones und ähnlichem. - For contactless charging of small appliances such as toothbrushes or smartphones and the like.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist: The invention is explained below with reference to figures, the invention not being limited thereto:
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 : schematisch ein induktives Übertragungssystem mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung und DC-Last, 1 shows schematically an inductive transmission system with active reactive power input and DC load on both sides,
Fig. 2: schematisch ein induktives Übertragungssystem mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung und AC-Last,
Fig. 3a - 3c: schematisch simulierte Topologien, wie folgt: 2 shows schematically an inductive transmission system with active reactive power imprinting on both sides and AC load, 3a-3c schematically simulated topologies as follows:
Fig. 3a: schematisch eine Kurzschlusssteuerung, 3a shows schematically a short-circuit control,
Fig. 3b: schematisch eine aktive Blindleistungseinprägung in Reihe zu C2S, Fig. 3c: schematisch eine aktive Blindleistungseinprägung in Reihe zu C2P, FIG. 3b shows schematically an active reactive power injection in series with C2S, FIG. 3c shows schematically an active reactive power injection in series with C2P, FIG.
Fig. 4a - 4f: schematisch Simulationsergebnisse der simulierten Topologien, wie folgt: 4a-4f: schematically simulation results of the simulated topologies, as follows:
Fig. 4a: schematisch den Wirkungsgrad über der Ausgangsleistung, FIG. 4a shows schematically the efficiency over the output power, FIG.
Fig. 4b: schematisch den Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom des speisenden Wechselrichters (5) über der Ausgangsleistung, 4b shows schematically the phase angle between the output voltage and the output current of the feeding inverter (5) over the output power,
Fig. 4c: schematisch die ohmsche Verlustleistung an der Sekundärspule (L2) über der Ausgangsleistung, 4c: schematically the ohmic power loss at the secondary coil (L 2 ) over the output power,
Fig. 4d: schematisch die Verlustleistung des speisenden Wechselrichters (5) über der Ausgangsleistung, 4d: schematically the power loss of the feeding inverter (5) over the output power,
Fig. 4e: schematisch die Verlustleistung des Gleichrichters (9) über der Ausgangsleistung, 4e: schematically the power loss of the rectifier (9) over the output power,
Fig. 4f: schematisch die Verlustleistung des Stellgliedes (3) gemäß Fig. 3b und Fig. 3c bzw. S1 und S2 gemäß Fig. 3a über der Ausgangsleistung, 4f: schematically shows the power loss of the actuator (3) according to FIG. 3b and FIG. 3c or S1 and S 2 according to FIG. 3a above the output power, FIG.
Fig. 5: schematisch den Ausgleich von Parametervariationen im Betrieb am Beispiel einer Variation von C2s um -10% und der aktiven Einprägung kapazitiver Blindleistung in Reihe zu C2s gemäß Fig. 3b, 5 shows schematically the compensation of parameter variations in operation using the example of a variation of C 2 s by -10% and the active imprinting of capacitive reactive power in series with C 2 s according to FIG. 3b, FIG.
Fig. 6 bis Fig. 25: schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine primärseiti- ge aktive Blindleistungseinprägung, FIGS. 6 to 25 schematically different arrangements for a primary-side active reactive power injection,
Fig. 26 bis Fig. 56: schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine sekundär- seitige aktive Blindleistungseinprägung und FIGS. 26 to 56 show schematically different arrangements for a secondary-side active reactive power injection and
Fig. 57 bis Fig. 64: schematisch unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten der aktiven Blindleistungserzeugung. In Fig. 1 ist schematisch ein beispielhaftes induktives Übertragungssystem (12) mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung (3) und DC-Last (1 1 ) dargestellt.
Das induktive Übertragungssystem (12) setzt sich aus dem speisenden Wechselrichter (5), dem kompensierten Spulensystem (4), dem Gleichrichter (9), dem Ausgangsfilter (10) und einem DC-Verbraucher (1 1 ) zusammen. Das kompensier- te Spulensystem besteht dabei aus der primärseitigen Kompensation (6), dem Spulensystem (7) und der sekundärseitigen Kompensation (8). Die beidseitig gezeigte Vorrichtung zur aktiven Blindleistungseinprägung (3) setzt sich jeweils aus der Einrichtung zur Blindleistungserzeugung (1 ) sowie der Einrichtung zur Blindleistungseinkopplung (2) zusammen. Durch Erzeugung und Einkopplung einer Blindleistung lässt sich mit der schematisch gezeigten Beispielrealisierung die Kompensation des induktiven Übertragungssystems variieren. FIGS. 57 to 64 show schematically different realization possibilities of the active reactive power generation. In Fig. 1, an exemplary inductive transmission system (12) with double-sided active reactive power injection (3) and DC load (1 1) is shown schematically. The inductive transmission system (12) consists of the feeding inverter (5), the compensated coil system (4), the rectifier (9), the output filter (10) and a DC consumer (1 1) together. The compensated coil system consists of the primary-side compensation (6), the coil system (7) and the secondary-side compensation (8). The device for active reactive power injection (3) shown on both sides consists in each case of the device for reactive power generation (1) and the device for reactive power injection (2). By generating and coupling in a reactive power, the compensation of the inductive transmission system can be varied with the exemplary implementation shown schematically.
Die Speisung des für die Blindleistungserzeugung notwendigen Energiezwischenspeichers kann dabei sowohl aus dem Übertragungssystem erfolgen, indem die Einrichtung zur Blindleistungserzeugung im Gleichrichterbetrieb betrieben wird oder aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgen. Zum Beispiel könnte in einer Anwendung zum induktiven Batterieladen in der Elektromobilität die sekundärsei- tige Einrichtung zur Blindleistungserzeugung über einen weiteren DC/DC-Wandler aus der Batterie gespeist werden. Ebenso könnte die primärseitige Einrichtung zur Blindleistungserzeugung aus dem Energiezwischenspeicher des speisenden Wechselrichters über einen zusätzlichen DC/DC-Wandler gespeist werden. The feeding of the intermediate energy storage necessary for the reactive power generation can take place both from the transmission system by the device for reactive power generation is operated in rectifier operation or carried out from an additional source of energy. For example, in an inductive battery charging application in electromobility, the secondary reactive power generator could be powered from the battery via another DC / DC converter. Likewise, the primary-side device for reactive power generation could be fed from the energy buffer of the feeding inverter via an additional DC / DC converter.
Die Speisung der Einrichtung zur Blindleistungserzeugung aus einer zusätzlichen Energiequelle bietet dabei den Vorteil zusätzlich zur Blindleistungseinprägung auch Wirkleistung in das induktive Übertragungssystem einspeisen zu können, wodurch sich ein weiterer Freiheitsgrad ergibt. Dem gegenüber steht der Nachteil, dass mehr Komponenten benötigt werden, wodurch die benötigte Baugröße und die Systemkosten steigen. Analog zu Fig. 1 zeigt Fig. 2 schematisch ein beispielhaftes induktives Übertragungssystem (12) mit beidseitiger aktiver Blindleistungseinprägung (3) und AC- Last (1 1 ). Aufgrund des AC-Verbrauchers (1 1 ), entfällt in diesem Schemata der Gleichrichter und der Ausgangsfilter, sodass sich das gezeigte induktive Übertragungssystem (12) aus dem speisenden Wechselrichter (5), dem kompensierten Spulensystem (4) und dem AC-Verbraucher (1 1 ) zusammensetzt.
Das kompensierte Spulensystem besteht dabei aus der primärseitigen Kompensation (6), dem Spulensystem (7) und der sekundärseitigen Kompensation (8). Die beidseitig gezeigte Vorrichtung zur aktiven Blindleistungseinprägung (3) setzt sich jeweils aus der Einrichtung zur Blindleistungserzeugung (1 ) sowie der Einrichtung zur Blindleistungseinkopplung (2) zusammen. Durch Erzeugung und Einkopplung einer Blindleistung lässt sich, mit der gezeigten schematischen Darstellung, die Kompensation des induktiven Übertragungssystems variieren. Die Speisung des für Blindleistungserzeugung notwendigen Energiezwischenspeichers kann dabei sowohl aus dem Übertragungssystem als auch aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgen. Beispielanwendungen für die gezeigte schematische Darstellung mit AC-Last finden sich in der kontaktlosen Versorgung von elektrischen Antrieben, wie zum Beispiel zur kontaktlosen Versorgung von fahrer- losen Transportsystemen in der Intralogistik oder der kontaktlosen Einprägung eines Stromes in die Erregerwicklung einer fremderregten Synchronmaschine. The feeding of the device for generating reactive power from an additional energy source offers the advantage, in addition to the reactive power injection, of being able to feed active power into the inductive transmission system, which results in a further degree of freedom. On the other hand, there is the disadvantage that more components are needed, which increases the required size and system costs. Analogously to FIG. 1, FIG. 2 schematically shows an exemplary inductive transmission system (12) with active reactive power impressions (3) on both sides and AC load (1 1) on both sides. Due to the AC load (1 1), this scheme eliminates the rectifier and the output filter, so that the shown inductive transmission system (12) consists of the supplying inverter (5), the compensated coil system (4) and the AC consumer (1 1). The compensated coil system consists of the primary-side compensation (6), the coil system (7) and the secondary-side compensation (8). The device for active reactive power injection (3) shown on both sides consists in each case of the device for reactive power generation (1) and the device for reactive power injection (2). By generating and coupling in a reactive power, the compensation of the inductive transmission system can be varied with the illustrated schematic representation. The power supply of the intermediate energy storage required for reactive power generation can take place both from the transmission system and from an additional energy source. Example applications for the illustrated schematic representation with AC load can be found in the contactless supply of electric drives, such as for the contactless supply of driverless transport systems in intralogistics or the contactless impression of a current in the excitation winding of a separately excited synchronous machine.
Simulative Untersuchungen: Simulative investigations:
Beispielhaft wird die Simulationen anhand zweier Realisierungen der aktiven Blindleistungseinprägung auf Basis eines Modells eines realen, induktiven Ladesystems gezeigt. Zur Verlustberechnung wurden reale, beschaffbare Bauelemente angenommen. Zum Nachweis des höheren Wirkungsgrades im Teillastbereich durch eine gezielte Verstimmung des Abgleiches erfolgte der Vergleich mit dem Stand der Technik. By way of example, the simulations are shown based on two realizations of the active reactive power injection on the basis of a model of a real, inductive charging system. For the calculation of losses, real, procurable components were assumed. To demonstrate the higher efficiency in the partial load range by a deliberate detuning of the comparison, the comparison was made with the prior art.
In Tabelle 1 sind die System parameter und die für die Verlustbetrachtung zugrunde gelegten Bauelemente aufgelistet. Figuren 3a - 3c zeigen die simulierten Schaltungstopologien und Fig. 4a - 4f die aufbereiteten Simulationsergebnisse. Betrachtet wurde die Kurzschlusssteuerung mit Ausführung des Kurzschlussschal- ters als Synchronwandler und PWM-Ansteuerung zur Repräsentation des Stands der Technik, die aktive Blindleistungseinprägung als neues innovatives Stellglied in Reihe zur Serienkompensation und in Reihe zur Parallelkompensation. Dabei befinden sich die H-Brücken im Gleichrichterbetrieb, womit die Speisung der Einrichtung zur aktiven Blindleistungserzeugung aus dem Übertragungssystem er- folgt.
Die variable Blindleistung wird mittels Phasenverschiebungs-Ansteuerung erzeugt. Dabei kann sowohl kapazitive als auch induktive Blindleistung erzeugt und eingekoppelt werden. Table 1 lists the system parameters and the components used for the loss analysis. FIGS. 3a-3c show the simulated circuit topologies, and FIGS. 4a-4f show the processed simulation results. The short-circuit control with design of the short-circuit switch as synchronous converter and PWM control to represent the state of the art was considered, the active reactive power injection as a new innovative actuator in series for series compensation and in series for parallel compensation. In this case, the H-bridges are in rectifier operation, whereby the supply of the device for active reactive power generation from the transmission system is carried out. The variable reactive power is generated by means of phase shift control. In this case, both capacitive and inductive reactive power can be generated and coupled.
Durch Entkopplung des aktiven Stellgliedes vom Übertragungssystem sinken die Bauteilbelastung und die Verluste der Leistungselektronik deutlich. Der fest gekoppelte Transformator wurde so dimensioniert, dass die Spannung der H-Brücke maximal 400V beträgt, sodass verlustarme 600V-MOSFETs eingesetzt werden können. Die Taktfrequenz der Stellglieder wurde gleich der Übertragungsfrequenz gesetzt. By decoupling the active actuator from the transmission system, the component load and the losses of the power electronics drop significantly. The fixed-coupled transformer has been dimensioned so that the voltage of the H-bridge is a maximum of 400V, so that low-loss 600V MOSFETs can be used. The clock frequency of the actuators was set equal to the transmission frequency.
Tabelle 1 : System parameter Table 1: System parameters
In Fig. 3a bis 3c ist jeweils das simulierte induktive Übertragungssystem (12) schematisch dargestellt. Dieses setzt sich jeweils analog zu Fig. 1 aus dem speisenden Wechselrichter (5), dem kompensierten Spulensystem (4), dem Gleichrichter (9), dem Ausgangsfilter (10) und der DC-Last (1 1 ) zusammen. The simulated inductive transmission system (12) is shown schematically in FIGS. 3a to 3c. This is in each case analogous to FIG. 1 from the feeding inverter (5), the compensated coil system (4), the rectifier (9), the output filter (10) and the DC load (1 1) together.
Bei dem gezeigten Übertragungssystem handelt es sich um ein System mit pri- märseitiger Stromeinprägung und sekundärseitiger Parallelkompensation, wobei - zur Anpassung des sekundärseitigen Strom-/Spannungsverhältnisses - der Paral- lelkompensationskondensator in einen seriellen Kompensationskondensator C2S und einen parallelen Kompensationskondensator C2P aufgeteilt wurde. Aufgrund dieser Resonanztopologie verhält sich das induktive Übertragungssystem aus- gangsseitig näherungsweise wie eine ideale Stromquelle.
Daher können mit dem in Fig. 3a gezeigten Stellprinzip (Kurzschlusssteuerung) die Ausgangsgrößen geregelt werden. Dabei wird die Last kurzgeschlossen sobald S2 eingeschaltet wird, sodass der Ausgangsstrom nicht in die Last, sondern in den Resonanzkreis zurückfließt, wodurch die Ausgangsleistung begrenzt werden kann. Dieses Stellprinzip entspricht dem Stand der Technik zur sekundärseitigen Regelung induktiver Übertragungssysteme. The transmission system shown is a system with primary current injection and secondary-side parallel compensation, wherein the parallel-compensating capacitor was divided into a series compensation capacitor C2S and a parallel compensation capacitor C2P in order to adapt the secondary current / voltage ratio. Due to this resonant topology, the inductive transmission system behaves approximately like an ideal current source on the output side. Therefore, with the control principle shown in Fig. 3a (short-circuit control), the output variables can be controlled. The load is short-circuited as soon as S2 is switched on so that the output current does not flow back into the load but into the resonant circuit, whereby the output power can be limited. This control principle corresponds to the state of the art for the secondary-side regulation of inductive transmission systems.
In Fig. 3b erfolgt als Realisierungsbeispiel der Erfindung die aktive Blindleistungs- einprägung in Reihe zum sekundärseitigen seriellen Kompensationskondensator C2s- Das leistungselektronische Stellglied setzt sich in diesem Beispiel aus einer H-Brücke mit nachgeschaltetem Serienkondensator Cs und einem Gleichspannungszwischenspeicher zusammen. Das schematisch dargestellte Realisierungsbeispiel entspricht damit einer Kombination aus Fig. 39 und Fig. 58. Mit dem ge- zeigten Stellprinzip kann durch aktives Erzeugen und Einprägen einer Blindleistung die Kompensation des induktiven Übertragungssystems verstimmt werden, wodurch die elektrischen Ausgangsgrößen des Systems geregelt werden können. In Fig. 3b as an implementation example of the invention, the active reactive power impressed in series to the secondary-side series compensation capacitor C2s- The power electronic actuator is composed in this example of an H-bridge with downstream series capacitor Cs and a DC intermediate memory. The schematically represented realization example thus corresponds to a combination of FIGS. 39 and 58. With the illustrated control principle, the compensation of the inductive transmission system can be detuned by actively generating and impressing a reactive power, whereby the electrical output variables of the system can be regulated.
In Fig. 3c ist ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel schematisch dargestellt. In diesem Realisierungsbeispiel erfolgt die aktive Blindleistungseinprägung in Reihe zum sekundärseitigen parallelen Kompensationskondensator. Das leistungselektronische Stellglied setzt sich, wie in Fig. 3b, aus einer H-Brücke mit nachgeschaltetem Serienkondensator und einem Gleichspannungszwischenspeicher zusammen. Das schematisch dargestellte Realisierungsbeispiel entspricht somit einer Kombination aus Fig. 40 und Fig. 58. Mit dem gezeigten Stellprinzip kann durch aktives Erzeugen und Einprägen einer Blindleistung die Kompensation des induktiven Übertragungssystems verstimmt werden, wodurch die elektrischen Ausgangsgrößen des Systems geregelt werden können. In den Fig. 4a - 4f sind Simulationsergebnisse dargestellt. Diese Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen und bewerten: In Fig. 3c, another example of the invention is shown schematically. In this implementation example, the active reactive power injection takes place in series with the secondary-side parallel compensation capacitor. The power electronic actuator is composed, as in FIG. 3 b, of an H-bridge with a series-connected capacitor and a DC intermediate buffer. The exemplary embodiment shown schematically thus corresponds to a combination of FIGS. 40 and 58. With the illustrated control principle, the compensation of the inductive transmission system can be detuned by actively generating and impressing a reactive power, as a result of which the electrical output variables of the system can be regulated. FIGS. 4a-4f show simulation results. These results can be summarized and evaluated as follows:
• Mittels der aktiven Blindleistungseinprägung können durch gezielte Verstimmung, nach dem in Fig. 3b und 3c gezeigten Stellprinzip, in einer sekundärsei- tigen Regelung die Ausgangsgrößen eines induktiven Übertragungssystems gestellt werden.
Der Wirkungsgrad ist über den gesamten Lastbereich gemäß Fig. 4a besser als mit dem nach dem Stand der Technik üblichen Verfahren, d.h. einer Kurzschlusssteuerung gemäß Fig. 3a. By means of the active reactive power injection, the output variables of an inductive transmission system can be set by secondary detuning, according to the control principle shown in FIGS. 3b and 3c, in a secondary control. The efficiency is better over the entire load range according to FIG. 4 a than with the method customary according to the prior art, ie a short-circuit control according to FIG. 3 a.
Es ist eine Reduktion der Verluste sowohl auf der Sekundärseite (Gleichrichter gemäß Fig. 4e und Sekundärspule gemäß Fig. 4c) und auf der Primärseite (Wechselrichter gemäß Fig. 4d), als auch im Stellglied gemäß Fig. 4f möglich. Die Rückwirkungen der Blindleistungseinprägung auf die Primärseite, gemessen am Phasenwinkel der Wechselrichter-Ausgangsgrößen, lassen sich in den simulierten Beispielrealisierungen durch die Dimensionierung des Serienkondensators (Cs) beeinflussen. Daher könnte ein möglicher Optimierungsansatz sein, Cs so auszulegen, dass die Rückwirkungen minimal sind. Wie in Fig. 4b zu sehen, ist bei Blindleistungseinprägung in Reihe zu C2p der Phasenwinkel von Volllast bis etwa 1 /3 Volllast näherungsweise konstant, It is possible to reduce the losses both on the secondary side (rectifier according to FIG. 4e and secondary coil according to FIG. 4c) and on the primary side (inverter according to FIG. 4d), as well as in the actuator according to FIG. 4f. The effects of the reactive power injection on the primary side, measured on the phase angle of the inverter output variables, can be influenced in the simulated example realizations by the dimensioning of the series capacitor (Cs). Therefore, one possible optimization approach might be to design Cs so that the repercussions are minimal. As can be seen in FIG. 4 b, with reactive power injection in series with C 2 p, the phase angle from full load to approximately 1/3 full load is approximately constant,
die Stellgliedverluste sind bei Systemen höherer Leistung bei aktiver Blindleistungseinprägung noch deutlich geringer als bei Kurzschlusssteuerung, da durch den Kurzschlussschalter (Si und S2 in Fig. 3a) der volle Laststrom fließt, während für die Blindleistungserzeugung ein deutlich geringerer Strom ausreicht. Hinzu kommt, dass bei der Blindleistungseinprägung die Schaltverluste überwiegen: Diese sollten sich bei Realisierung mit neuen Leistungshalbleiter- Technologien z. B. auf Basis von Galliumnitrid (GaN) deutlich senken lassen. Beim Kurzschlussschalter hingegen dominieren die Durchlassverluste, welche bei Systemen höherer Leistung noch deutlich steigen und auch bei Verwendung von GaN weiter steigen werden, da die angenommenen MOSFETs einen geringeren Durchlasswiderstand aufweisen, als verfügbare GaN-eHEMTs. Die Realisierung der aktiven Blindleistungseinprägung weist noch viele Optimierungspotentiale auf: Neben einer optimalen Auslegung des leistungselektronischen Stellgliedes könnte beispielsweise die Blindleistungseinprägung auch parallel zu einem Kompensationskondensator erfolgen. Auch eine Kombination könnte Vorteile bieten. the actuator losses are still significantly lower in systems of higher power with active reactive power injection as in short-circuit control, as by the short-circuit switch (Si and S 2 in Fig. 3a), the full load current flows, while for the generation of reactive power, a much lower power sufficient. In addition, in the case of reactive power injection, the switching losses predominate: These should, when implemented with new power semiconductor technologies, for example: B. on the basis of gallium nitride (GaN) significantly lower. The short-circuit switch, on the other hand, is dominated by the forward losses, which will increase significantly in higher power systems and will continue to increase when GaN is used, since the assumed MOSFETs have lower on-resistance than the available GaN eHEMTs. The realization of the active reactive power injection has many optimization potentials: In addition to an optimal design of the power electronic actuator, for example, the reactive power injection could also be carried out in parallel to a compensation capacitor. A combination could also offer benefits.
Somit ist bei Systemen mit höherer Leistung und bei optimaler Realisierung der Blindleistungseinprägung mit noch höheren Wirkungsgraden im Teillastbereich zu rechnen. Thus, in systems with higher power and optimal realization of the reactive power impression with even higher efficiencies in the partial load range is to be expected.
Hinzu kommt, dass sich ein Großteil des Ladevorgangs im Teillastbereich abspielt. Bei Ladesystemen höherer Leistung steigt der Anteil des Teillastbereiches am Ladevorgang weiter, weshalb die Effizienzsteigerung über den gesamten Ladevorgang betrachtet beachtlich ist.
Als Simulationsergebnisse werden folgende Werte dargestellt: In addition, a large part of the charging process takes place in the partial load range. With charging systems of higher power, the proportion of the partial load range continues to increase during the charging process, which is why the increase in efficiency over the entire charging process is considerable. The following values are displayed as simulation results:
- Wirkungsgrad, - efficiency,
- Phasenwinkel am speisenden Wechselrichter zwischen Wechselrichterausgangsspannung und Wechselrichterausgangsstrom, Phase angle at the supplying inverter between inverter output voltage and inverter output current,
- ohmsche Verlustleistung in der Sekundärwicklung, ohmic power dissipation in the secondary winding,
- Verlustleistung des speisenden Wechselrichters, - power loss of the feeding inverter,
- Verlustleistung des Gleichrichters, - power dissipation of the rectifier,
- Verlustleistung des Stellgliedes; - Power loss of the actuator;
Alle Größen sind hierbei über die Ausgangsleistung bzw. Ladeleistung abgetragen. Fig. 5 zeigt den Einfluss einer Variation des sekundärseitigen seriellen Kompensationskondensators (C2s) um -10% auf die übertragbare Wirkleistung und - als Beispiel eines robusten Betriebes - den Ausgleich dieser Variation durch eine dynamische Nachführung des Abgleichs im Betrieb mittels aktiver Blindleistungseinprägung in Reihe zum sekundärseitigen seriellen Kompensationskondensator ge- mäß Fig. 3b. Es ist zu sehen, dass ein Abfall der Kapazität des sekundärseitigen Serienkondensators um 10% dazu führt, dass nur noch ca. 1/3 der Wirkleistung übertragen werden kann. Zum Zeitpunkt t=0,01 s wird mittels aktiver Blindleistungseinprägung kapazitive Blindleistung aktiv erzeugt und in das kompensierte Spulensystem eingeprägt. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, lässt sich damit die Parame- tervariation im Betrieb ausgleichen. Mit diesem Stellprinzip kann der ideale Abgleich im Betrieb nachgeführt werden, wodurch trotz Parametervariation die volle Wirkleistung übertragen werden kann. All sizes are plotted on the output power or charging power. 5 shows the influence of a variation of the secondary-side series compensation capacitor (C 2 s) by -10% on the transferable active power and - as an example of a robust operation - the compensation of this variation by a dynamic tracking of the adjustment in operation by active reactive power injection in series to the secondary-side series compensation capacitor according to FIG. 3b. It can be seen that a drop in the capacity of the secondary-side series capacitor by 10% leads to the fact that only about 1/3 of the active power can be transmitted. At time t = 0.01 s, capacitive reactive power is actively generated by means of active reactive power injection and impressed into the compensated coil system. As can be seen in FIG. 5, this makes it possible to compensate for the parameter variation during operation. With this setting principle, the ideal adjustment during operation can be tracked, whereby despite parameter variation, the full active power can be transmitted.
In den Fig. 6 bis Fig. 25 werden schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine primärseitige aktive Blindleistungseinprägung gezeigt. In den Fig. 26 bis Fig. 56 sind schematisch unterschiedliche Anordnungen für eine sekundärseitige aktive Blindleistungseinprägung gezeigt. Diese sind untereinander kombinierbar. So könnte beispielsweise für das simulierte induktive Übertragungssystem gemäß Fig. 3a bis 3c eine Kombination aus Fig. 18, Fig. 39 und Fig. 40 sinnvoll sein, da sich so selektiv auf Parametervariationen der einzelnen Kompensationskondensatoren reagieren ließe.
Hierbei muss zwischen dem zusätzlichen Komponentenaufwand und Gewinn an Freiheitsgraden abgewogen werden. Eine Besonderheit der simulierten Reso- nanztopologie ist die primärseitige Stromeinprägung. Hierbei lässt sich über den primärseitigen Kompensationskondensator selektiv der Phasenwinkel zwischen den Ausgangsgrößen des speisenden Wechselrichters einstellen. Dieser ist ein wichtiger Parameter für die Verluste auf der Primärseite. FIGS. 6 to 25 schematically show different arrangements for a primary-side active reactive power injection. Shown schematically in FIGS. 26 to 56 are different arrangements for a secondary side active reactive power injection. These can be combined with each other. For example, a combination of FIG. 18, FIG. 39 and FIG. 40 could be useful for the simulated inductive transmission system according to FIGS. 3 a to 3 c, since it would be possible to react selectively to parameter variations of the individual compensation capacitors. Here it must be weighed between the additional component effort and gain in degrees of freedom. A special feature of the simulated resonance topology is the primary current injection. In this case, the phase angle between the output variables of the feeding inverter can be set selectively via the primary-side compensation capacitor. This is an important parameter for losses on the primary side.
So könnte beispielsweise mit einer Realisierung der aktiven Blindleistungskom- pensation gemäß Fig. 18 dieser Parameter im Betrieb auf einen optimalen Wert geregelt werden oder in einem zulässigen Bereich gehalten werden. Da der Phasenwinkel zwischen den Wechselrichterausgangsgrößen eine primärseitige Größe ist, ließe sich eine solche Regelung auch mit einer sekundärseitigen Regelung ohne zusätzlichen Kommunikationskanal kombinieren. Dieser Effekt tritt auch bei den schematisch gezeigten Topologien nach Fig. 19 bis Fig. 21 und Fig. 24 auf. For example, with a realization of the active reactive-power compensation according to FIG. 18, these parameters could be regulated to an optimum value during operation or kept within a permissible range. Since the phase angle between the inverter output variables is a primary-side variable, such a control could also be combined with a secondary-side control without an additional communication channel. This effect also occurs in the schematically shown topologies according to FIGS. 19 to 21 and 24.
In den Fig. 57 bis Fig. 64 sind schematisch Realisierungsbeispiele der Einrichtung zur aktiven Blindleistungserzeugung gezeigt. Diese stellen nur einen kleinen Ausschnitt der Realisierungsmöglichkeiten dar. Insbesondere die Nachbildung einer Sinusspannung mithilfe von Mehrpunkt-Umrichtern stellt eine vielversprechende Realisierungsmöglichkeit zur aktiven Blindleistungserzeugung dar. Shown in FIGS. 57 to 64 are exemplary implementation examples of the device for active reactive power generation. These represent only a small part of the realization possibilities. In particular the simulation of a sinusoidal voltage by means of multipoint converters represents a promising realization possibility for the active reactive power generation.
Die Realisierung der leistungselektronischen Schaltung zur Blindleistungserzeugung mit einer H-Brücke und einer nachgeschalteten analogen Filterstufe, wie bei- spielhaft in Fig. 58 bis Fig. 64 gezeigt, verbindet die Vorteile einer geringen Komponentenzahl und die Möglichkeit sowohl kapazitive als auch induktive Blindleistung aktiv zu erzeugen mit einem weiteren Freiheitsgrad in der Auslegung, da die Dimensionierung des Filters einen Einfluss auf die Rückwirkungen der aktiven Blindleistungseinprägung in einer sekundärseitigen Regelung auf die Primärseite hat.
Legende: The realization of the power electronic circuit for reactive power generation with an H-bridge and a downstream analog filter stage, as shown by way of example in FIGS. 58 to 64, combines the advantages of a low number of components and the ability to actively generate both capacitive and inductive reactive power with a further degree of freedom in the design, since the dimensioning of the filter has an influence on the repercussions of the active reactive power injection in a secondary-side regulation on the primary side. Legend:
(1 ) Einrichtung zur aktiven Blindleistungserzeugung (1) Device for active reactive power generation
(1 .1 ) leistungselektronische Schaltung (1 .1) power electronic circuit
(1 .2) Energiezwischenspeicher (1 .2) Energy buffer
(2) Einrichtung zur Blindleistungseinkopplung (2) Device for reactive power injection
(3) Vorrichtung zur aktiven Erzeugung und Einprägung einer Blindleistung in ein induktives Übertragungssystem (12) (3) Device for actively generating and impressing reactive power in an inductive transmission system (12)
(4) kompensiertes Spulensystem (4) compensated coil system
(5) speisender Wechselrichter (5) feeding inverter
(6) Einrichtung zur primärseitigen Kompensation (6) Primary compensation device
(7) Spulensystem (7) coil system
(8) Einrichtung zur sekundärseitigen Kompensation (8) Secondary compensation device
(9) Gleichrichter (9) Rectifier
(10) Ausgangsfilter (10) output filter
(1 1 ) Last/Verbraucher (1 1) load / consumer
(12) induktives Übertragungssystem (12) inductive transmission system
(L-ι) Primärspule (L-ι) primary coil
(L2) Sekundärspule (L 2 ) secondary coil
(P) Primärseite (P) primary side
(S) Sekundärseite (S) secondary side
(Cs) Serienkondensator der aktiven Blindleistungserzeugung (C s ) series capacitor of active reactive power generation
(C2p) sekundärseitiger paralleler Kompensationskondensator (C 2 p) secondary-side parallel compensation capacitor
(C2s) sekundärseitiger serieller Kompensationskondensator
(C 2 s) secondary-side serial compensation capacitor
Claims
1 . Vorrichtung (3) zur aktiven Erzeugung und Einprägung einer Blindleistung in ein induktives Übertragungssystem (12), umfassend zumindest: 1 . Device (3) for actively generating and impressing a reactive power in an inductive transmission system (12), comprising at least:
- eine Einrichtung (1 ) zur aktiven Erzeugung einer Blindleistung, wobei die Blindleistung mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes, umfassend zumindest eine leistungselektronische Schaltung (1 .1 ) und einen elektrischen Energiezwischenspeicher (1 .2), aktiv erzeugbar ist, - A device (1) for the active generation of a reactive power, wherein the reactive power by means of a power electronic actuator, comprising at least one power electronic circuit (1 .1) and an electrical energy buffer (1 .2), is actively generated,
- eine Einrichtung (2) zur Blindleistungseinkopplung, wobei die von der Einrichtung (1 ) erzeugte Blindleistung über einen Transformator in das induktive Übertragungssystem (12) einkoppelbar ist. - A means (2) for reactive power input, wherein the reactive power generated by the device (1) via a transformer in the inductive transmission system (12) can be coupled.
2. Vorrichtung (3) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung der Einrichtung (1 ) zur aktive Blindleistungserzeugung 2. Device (3) according to claim 1, characterized in that the supply of the device (1) for active reactive power generation
- aus dem induktiven Übertragungssystem (12) oder - from the inductive transmission system (12) or
- aus einer zusätzlichen Energiequelle erfolgt. - Made from an additional source of energy.
3. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mittels der Einrichtung (1 ) kapazitive und/oder induktive Blindleistung erzeugbar ist. 3. Device (3) according to any one of claims 1 or 2, wherein by means of the device (1) capacitive and / or inductive reactive power can be generated.
4. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem oder mehreren Kompensationskondensatoren erfolgt. 4. Device (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the reactive power injection (2) takes place in series and / or in parallel with one or more compensation capacitors.
5. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem Spulensystem (7) erfolgt. 5. Device (3) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reactive power input (2) in series and / or parallel to a coil system (7).
6. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) in Reihe und/oder parallel zu einem kompensierten Spulensystem (4) erfolgt. 6. Device (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the reactive power input (2) in series and / or parallel to a compensated coil system (4).
7. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blindleistungseinkopplung (2) auf der Primärseite (P) und/oder auf der Sekundärseite (S) des induktiven Übertragungssystems (12) erfolgt.
7. Device (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the reactive power input (2) on the primary side (P) and / or on the secondary side (S) of the inductive transmission system (12).
8. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Blindleistungseinkopplung (2) erfolgt. 8. Device (3) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one reactive power input (2) takes place.
9. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) die Kompensation des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird. 9. A method for operating the device (3) according to any one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that by active generation and impressing of reactive power in the compensated coil system (4), the compensation of the inductive transmission system (12) is varied.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation kontinuierlich im Betrieb des induktiven Übertragungssystems (12) variiert wird oder kontinuierlich nachgeführt wird. 10. The method according to claim 9, characterized in that the compensation is continuously varied during operation of the inductive transmission system (12) or continuously tracked.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation im Betrieb durch Einprägung einer Blindleistung in das kompensierte Spulensystem (4) verstimmt wird, um zumindest eine elektrische Größe des induktiven Übertragungssystems (12) zu regeln, wobei vorzugsweise die1 1. A method according to claim 9 or 10, characterized in that the compensation is detuned in operation by impressing a reactive power in the compensated coil system (4) to control at least one electrical variable of the inductive transmission system (12), wherein preferably the
Durchflutung der Primärspule (Li) und/oder die Spannung an der Primär- oder Sekundärspule (L2) geregelt wird. Flooding of the primary coil (Li) and / or the voltage at the primary or secondary coil (L 2 ) is regulated.
12. Verfahren nach einem der Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation im Betrieb verstimmt wird, um zumindest eine elektrische12. The method according to any one of claim 9 or 10, characterized in that the compensation is detuned during operation to at least one electrical
Ausgangsgröße des induktiven Übertragungssystems zu regeln. Output size of the inductive transmission system to regulate.
13. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass durch aktive Erzeugung und Ein- prägung von Blindleistung das Verhältnis zweier elektrischer Größen des induktiven Übertragungssystems variiert wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert wird. 13. A method for operating the device (3) according to any one of the preceding claims, characterized in that by active generation and imprinting of reactive power, the ratio of two electrical variables of the inductive transmission system is varied, preferably continuously during operation is varied.
14. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass durch aktive Erzeugung und Einprägung von Blindleistung der Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes des speisenden Wechselrichters variiert und/oder begrenzt wird, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb variiert und/oder begrenzt wird.
14. A method for operating the device (3) according to any one of the preceding claims, characterized in that varies by active generation and impressing of reactive power, the phase angle between the output voltage and the output current of the feeding inverter and / or limited, preferably continuously varies during operation and / or limited.
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