DE10032447C2

DE10032447C2 - Verfahren zur Stromoberschwingungskompensation bei gepulsten Netzstromrichtern mit Spannungszwischenkreis

Info

Publication number: DE10032447C2
Application number: DE2000132447
Authority: DE
Inventors: Rene Annowsky
Original assignee: FAHRZEUGAUSRUESTUNG BERLIN GMB
Current assignee: FAHRZEUGAUSRUESTUNG BERLIN GMB
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: DE10032447A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stromoberschwingungskompensation bei gepulsten Netzstromrichtern mit Spannungszwischenkreis für den stationären und Fahrzeugbereich.

Es sind Verfahren zur Stromoberschwingungskompensation bekannt, bei denen am Eingang des Netzstromrichters (NSR) für die jeweiligen Harmonischen Saugkreise angeordnet sind. Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist

- die Vielzahl passiver Bauelemente, wie Kondensatoren, Drosseln,
- der zusätzliche Platzbedarf,
- die Beeinflussung der Funktionstüchtigkeit durch die Alterung dieser Bauteile,
- die Anpassung der Bauelemente und die entsprechende Dimensionierung bei Veränderung der Harmonischen,
- die Verlustbehaftung der verwendeten Bauteile,
- die Vielzahl aktiver Filter (bei Wahl aktiver Filter anstelle der passiven Bauelemente), wobei die Flexibilität zwar bei aktiven Filtern höher ist, die Verluste aber ebenso höher sind und außerdem noch größerer zusätzlicher Platzbedarf erforderlich ist.

Nach US 5,731,965 ist ein System bekannt, bei dem durch einen dreiphasigen Hochleistungsstromrichter aus einer dreiphasigen Wechselspannung eine Gleichspannung zur Versorgung einer Last erzeugt. Die Oberschwingungen (5. und 7. Harmonische) des hierbei entstehenden Laststromes IL auf der Netzseite des Hochleistungsstromrichters werden durch separate passive Saugkreise, die jeweils mit einem aktiven Stromrichter gekoppelt sind kompensiert. Es ist für jede Oberschwingung ein separates aktives/passives Filter vorhanden. Der technische Aufwand an Bauelementen ist hierbei sehr hoch. Der Netzstrom ist dann sinusförmig. Die nichtsinusförmigen Anteile des Laststromes IL auf der Netzseite des Hochleistungsstromrichters werden in die hybriden Filter gelenkt und erzeugen dort entsprechende Verluste.

Nach DE 38 24 202 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Vierquadrantenstellers bekannt, bei dem durch einen einphasigen Vierquadrantensteller aus einer einphasigen Wechselspannung eine Gleichspannung zur Versorgung einer Last erzeugt wird. Auch bei verzerrter eingangsseitiger Wechselspannung soll eine glatte Ausgangsgleichspannung erzeugt werden. Es wird keine Kompensation des nichtsinusförmigen Eingangsstromes vorgenommen. Durch die Einphasigkeit des Systems ist kein Einsatz von Vektordrehern, wie sie aus dem dreiphasigen System bekannt sind, möglich. Daduch müssen diskrete Fourieranalysen zur Oberschwingungsanalyse durchgeführt werden. Das Verfahren ist dadurch sehr langsam, und nur für stationäre Vorgänge geeignet.

Nach DE 198 19 874 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation von Stromoberschwingungen in elektrischen Energienetzen bekannt, bei dem durch dreiphasige IGBT-Stromrichter vorhandene Stromoberschwingungen in elektrischen Netzen abgesaugt werden. Es wird hierbei kein Gleichspannungskreis zur Versorgung einer Last betrieben. Durch den Einsatz kaskadierter Filter wird eine hohe Dynamik der Kompensationseinrichtung erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Stromoberschwingungskompensation bei gepulsten Netzstromrichtern mit Spannungszwischenkreis zu schaffen, mit dem eine hohe Dynamik und ein sauberer Netzstrom erreicht wird, wobei mit dem Verfahren unter Zuhilfenahme einer bekannten Einrichtung die Entstehung der Stromoberschwingungen, die bei einem typischen verzerrten Industrienetz im Eingangsstrom des Gerätes auftreten würden, unterbunden wird

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, d. h., daß das Verfahren an dreiphasigen Netzen mit bekannter Spannungsoberschwingungscharakteristik einen gepulsten 4-Quadrantennetzstromrichter mit Spannungszwischenkreis so betreibt, daß mit dem speisenden dreiphasigen Netz nur ein sinusförmiger Strom ausgetauscht wird und im Eingangsstrom des 4- Quadrantenstromrichters keine den Spannungsoberschwingungen des dreiphasigen speisenden Netzes entsprechende Harmonische auftreten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen 4-Quadrantenstromrichter,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wechselwirkungen zwischen Netz und Netzstromrichter (NSR),

Fig. 3.1 die Darstellung des Spannungsverlaufes des Industrienetzes,

Fig. 3.2 die Darstellung des Netzstromes,

Fig. 3.3 die Darstellung des Spannungsverlaufes, erzeugt durch den NSR,

Fig. 4.1)

Fig. 4.2) die Darstellung gemäß Fig. 3.1 bis 3.3, jedoch mit Kompensation,

Fig. 4.3)

Fig. 5 die Schaltungsanordnung des 4-Quadrantenstromrichters nach Fig. 1,

Fig. 6 das Blockschaltbild des NSR,

Fig. 7 die schematische Darstellung der Reglung des NSR,

Fig. 8 die schematische Darstellung der Oberschwingungskompensationsreglung mit Parallelfilter nach Fig. 7,

Fig. 9 die schematische Darstellung der Oberschwingungskompensationsreglung mit Kaskadenfilter nach Fig. 7.

Das Verfahren wird anhand eines gepulsten Netzstromrichters (NSR) mit Gleichspannnungszwischenkreis beschrieben. Aus einem dreiphasigen Spannungssystem wird eine Gleichspannung erzeugt, deren Wert deutlich über dem Scheitelwert der verketteten Spannung des dreiphasigen Systems liegt. Bei Stromentnahme aus dem Spannungszwischenkreis durch Lastanforderung eines oder mehrerer angeschlossener Verbraucher (Maschinenstromrichter MSR) am Gleichspannungszwischenkreis wird durch eine entsprechende Regelung des NSR aus dem Netz ein Netzstrom derart entnommen, daß die Zwischenkreisspannung Uz_ist konstant bleibt. Fig. 1 und Fig. 5 zeigen einen Netzstromrichter (NSR) und einen angeschlossenen Motorstromrichter (MSR) mit Asynchronmaschine als Belastung. Über den Netzstromrichter werden die Eingangsströme in1, in2, in3 (in = ie) derart geregelt, daß die Zwischenkreisspannung Uz_ist auch bei schwankenden Lastanforderungen des Motorstromrichters konstant bleibt. Ein Blockschaltbild der NSR-Regelung ist in Fig. 6 und Fig. 7 zu sehen. In dieser Regelung werden die Meßwerte für die Netzspannung un (un1, un2, un3) und den Netzstrom in (in1, in2, in3) durch eine Koordinatenwandlung in ein mit der Netzfrequenz umlaufendes Koordinatensystem in die Gleichgrößen und, inq und ind transformiert. Es findet dann eine durch den Zwischenkreisspannungsregler, den Wirkstromregler und den Blindstromregler in Fig. 7 eine Regelung dieser Gleichgrößen derart statt, daß die Zwischenkreisspannung Uz_ist konstant bleibt. Setzt man für un (un1, un2, un3) und in (in1, in2, in3) streng sinusförmige Größen voraus, so sind die Werte und, inq und ind ideale Gleichgrößen und der Wirkstromregler und der Blindstromregler in Fig. 7 haben im stationären Zustand keine Wechselgrößen als Reglereingang. In diesem Fall können die Regler mit hoher Dynamik arbeiten und haben ein sehr gutes stationäres Verhalten. In der Praxis jedoch besitzt die Netzspannung un (un1, un2, un3) überlagerte niederfrequente Harmonische, die nach der Transformation in den Istwerten der NSR-Regelung als Wechselgrößen zu finden sind. Der aus den Nulldurchgängen der Netzspannung un und der Netzspannungsamplitude erzeugte ideale Sinus, der vom NSR als Spannung ue (ue1, ue2, ue3) erzeugt wird, hat dann eine Differenz zur reellen Netzspannung un (un1, un2, un3). Hierdurch fließen unerwünschte Ströme mit der Frequenz der entsprechenden Netzharmonischen, die sowohl im NSR als auch in den vorgelagerten Stromrichtertrafos zu hohen Verlusten führen. Außerdem erfolgt eine unerwünschte Anregung der Stromregler in Fig. 7, Fig. 2 und Fig. 3 verdeutlichen diesen Sachverhalt. Verändert man nun die Steuerfunktion zur Erzeugung der Spannung ue (ue1, ue2, ue3) durch den NSR so, daß ue und un den gleichen Oberschwingungsgehalt haben, so kann nur noch ein durch die Differenz der Grundwellen von ue und un bestimmter sinusförmiger Netzstrom in (in1, in2, in3) fließen. Fig. 2 und 4 verdeutlichen den Sachverhalt. Die oben beschriebenen Nachteile für die Regelung des NSR, den Leistungsteil und das vorgelagerte Netz sind somit weg. Die in Fig. 7 durch den Oberschwingungskompensationsregler erzeugten Zusatzspannungen u1s_ref_i, u2s_ref_i, u3s_ref_i entsprechen dem Oberschwingungsgehalt der Netzspannung un (un1, un2, un3). Hiemit wird die in Fig. 4 gezeigte Steuerfunktion zur Erzeugung der Spannung ue (ue1, ue2, ue3) durch den NSR erzeugt. Die Struktur der Oberschwingungskompensationsregelung ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt.

Bei der Oberschwingungskompensationsregelung mit Parallelfilter gemäß Fig. 8 wird zuerst der Netzstrom in (in1, in2, in3) mit Hilfe des Transformationswinkels u in ein rotierendes Koordinatensystem überführt.

Koordinatenwandlung 3-2

Bei symmetrischem Netz in1 + in2 + in3 = 0 gilt:

iα(n) = In1

Vektordrehung e^j.-n.u (Übergang ins rotierende d-q System)

id(n) = iα.cos(n.u) + iβ.sin(n.u)

iq(n) = -iα.sin(n.u) + iβ.cos(n.u)

n = 1, +5, -7, 11, -13 im beschriebenen Beispiel bzw. frei wählbar.

Durch eine Filterstufe werden die hierin enthaltenen Wechselanteile im transformierten Netzstrom id, iq herausgefiltert und man erhält die Grundschwingungsanteile id1, iq1 des Netzstromes. Diese werden vom transformierten Netzstrom abgezogen und in ein ruhendes Koordinatensystem zurücktransformiert. Auf diese Weise erhält man die Oberschwingungen iαx, iβx des Netzstromes im ruhenden Koordinatensystem. Diese Oberschwingungen werden dann jeweils in Koordinatensysteme, die mit der Frequenz der entsprechenden Harmonischen rotieren, transformiert. Es sind dies im Fig. 8 die Ströme id5_x, iq5_x, id7_x, iq7_x, id11_x, iq11_x id13_x, iq13_x. Diese Werte werden einer Filterstufe zugeführt, deren Ausgang die entsprechenden Harmonischen des Netzstromes als Gleichgrößen im rotierenden Koordinatensystem sind. (id5, iq5, id7, iq7, id11, iq11, id13, iq13 in Fig. 8). Diese Größen werden dann PI-Reglern zugeführt, deren Ausgänge (uq7, ud11, uq11, ud13, uq13 in Fig. 8) die entsprechenden Harmonische der Netzeingangsspannung im rotierenden Koordinatesystem darstellen. Diese werden dann in durch eine Koordinatentransformation in ein ruhendes Koordinatensystem zurücktransformiert. (u1s_5, u2s_5, u3s_5, u1s_7, u2s_7, u3s_7, u1s_11, u2s_11, u3s_11, u1s_13, u2s_13, u3s_13).

Diese Werte werden dann wie in Fig. 8 gezeigt, addiert und ergeben eine Zusatzspannung u1s_ref_i, u2s_ref_i, u3s_ref_i, die in der Struktur in Fig. 7 zum idealen Sinus ue_s (ue1_s, ue2_s, ue3_s) addiert wird. Somit wird eine Spannungsform für ue (ue1, ue2, ue3) erzeugt, die letztendlich den oberschwingungsfreien Strom in Fig. 4 nach sich zieht. Die im Beispiel aufgeführte Anzahl von vier Oberschwingungen läßt sich nach der Anzahl beliebig variieren. Weiterhin lassen sich die Ordnungszahlen der zu eliminierenden Harmonischen beliebig einstellen. Außerdem läßt sich die Drehrichtung des zu eliminierenden harmonischen Systems (Mitsystem = positiver Drehsinn der Transformation, Gegensystem = negativer Drehsinn der Transformation) beliebig festlegen. Die Oberschwingungskompensationsregelung kann also der vorhandenen Oberschwingungsstruktur der Netzspannung optimal angepaßt werden.

Die Oberschwingungskompensationsregelung mit Kaskadenfilter gemäß Fig. 9 erlaubt eine höhere Dynamik der Oberschwingungskompensationsregelung als die Parallelstruktur nach Fig. 8. Die Filterstufen zur Selektierung der jeweiligen Harmonischen des Netzstromes sind hierbei in Reihe geschaltet. Hierbei müssen die Ordnungszahlen der Harmonischen in aufsteigender Reihenfolge innerhalb des Filters eingestellt werden. Die Eingangsgrößen iαx, iβx der Stufe zur Filterung der 5. Harmonischen in Fig. 9 enthalten hierbei noch alle Harmonischen. Die Eingangsstufe zur Filterung der 7. Harmonischen des Netzstromes enthält nicht mehr den Anteil der 5. Harmonischen. Die Eingangsstufe zur Filterung der 11. Harmonischen des Netzstromes enthält nicht mehr den Anteil der 7. Harmonischen. Diese Prinzip läßt sich beliebig weiter fortsetzen und ist in Fig. 9 nur bis zur 13. Harmonischen dargestellt. Die Filter zur Selektierung der Stöme id5, iq5, id7, iq7, id11, iq11, id13, iq13 brauchen bei dieser Art von Filterung nicht mehr die tiefer liegenden Harmonischen des Netzstromes berücksichtigen und können deshalb mit aufsteigender Ordnungszahl der zu selektierenden Harmonischen immer schneller eigestellt werden, wodurch sich die Dynamik der Oberschwingungskompensationsregelung wesentlich erhöht. Die Anzahl der Filterstufen kann wie bei der Parallelstruktur nach Fig. 8 beliebig gewählt werden. Die Drehrichtung des zu eliminierenden harmonischen Systems (Mitsystem = positiver Drehsinn der Transformation, Gegensystem = negativer Drehsinn der Transformation) läßt sich ebenfalls wie bei der Parallelstruktur nach Fig. 8 beliebig festlegen.

Die Vorteile des Verfahrens sind:

- Keine Stromoberschwingungen im speisenden Netz. Somit auch keine zusätzlichen Verluste in den vorgeschalteten Stromrichtertransformatoren.
- Keine Stromoberschwingungen im Stromrichter und somit keine Zusatzverluste im Stromrichter
- Einfachste Sensoren zur Netzspannungsmessung, da die Erfassung der Spannungsoberschwingungen durch die Strommessung erfolgt.
- Hohe Dynamik der Oberwellenerfassung garantiert auch bei veränderlichen Werten des Oberschwingungsgehaltes der Netzspannung eine schnelle und vollständige Kompensation der Stromoberschwingungen im Eingangsstrom des Stromrichters.
- Niedriger Klirrfaktor des Netzstromes auch im Teillastbereich des Stromrichters
- Hohe Dynamik der Raumzeigerregelung des 4-Quadrantennetzstromrichters, da in den Netzströmen keine niederfrequenten Harmonischen mehr vorhanden sind und somit auch keine Störfrequenzen in den transformierten Stromistwerten der Raumzeigerregelung zu finden sind. Dadurch sind störoptimale Stromreglereinstellungen möglich.

Claims

1. Verfahren zur Stromkompensation bei einem gepulsten, am dreiphasigen Netz betriebenen 4-Quadrantennetzstromrichter mit Spannungszwischenkreis zur Versorgung einer am Spannungszwischenkreis liegenden Last, bei dem mittels einer Software der Netzeingangsstrom durch kaskadierte Filter analysiert wird, wobei durch jedes Filter eine Oberschwingung selektiert und jeweils einem von mindestens zwei Kompensationsreglern zugeführt wird, deren Ausgänge eine Zusatzspannung erzeugen, die zusammen mit den Spannungswerten der Netzraumzeigerreglung eine Spannungskurve zur Steuerung des 4- Quadrantenstromrichters bereitstellen, die mit gleicher Oberschwingungscharakteristik wie die Netzspannung ausgestattet ist und somit Oberschwingungen im Netzeingangsstrom des Stromrichters unterbindet.