DE102004019518A1

DE102004019518A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optimierten Regelung von Oberschwingungen

Info

Publication number: DE102004019518A1
Application number: DE200410019518
Authority: DE
Inventors: Srinivas Ponnaluri; Axel Dr.-Ing. Brickwedde
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-12-01

Abstract

Verfahren zur optimierten Regelung oder Kompensation von in Strom- oder Spannungsverläufen auftretenden Oberschwingungen, insbesondere bei leistungselektronischen Schaltungen mit aktiven Filterelementen (20), mittels einer FSRF-basierten Regelung mit Referenzwerterzeugung (1), Steuergrößenerzeugung (2) und Schaltsignalerzeugung (3) mit Pulsweitenmodulator zum Ansteuern eines Stromrichters. Zur Regelung oder Kompensation von Oberschwingungen am theoretischen Frequenzlimit bzw. vermittels nur eines einzigen Schaltvorganges des Stromrichters werden in der Steuergrößenerzeugung (2) aus den Referenzwerten, basierend auf den Systemgleichungen und unter Berücksichtigung eines überschwingungsfreien bzw. deadbeat-Regelansatzes respektive der sich daraus ergebenden Übertragungsfunktionen und demgemäß konditionierter Regelglieder, entsprechende Steuergrößen generiert und in der Schaltsignalerzeugung (3) mit Pulsweitenmodulator in entsprechende Schaltsignale zum Ansteuern des Stromrichters (30) umgewandelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optimierten Regelung von Oberschwingungen nahezu dem theoretischen Frequenzlimit, das heißt Oberschwingungen mit einer Frequenz, die nahezu der theoretisch erreichbaren Grenze des jeweiligen leistungselektronischen Schaltungsaufbaus beziehungsweise des jeweiligen leistungselektronischen Bauelementes entspricht. Bei einem Stromrichter oder einem aktiven Filter demgemäß Oberschwingungen mit Frequenzen, die nahezu der halben Schaltfrequenz entsprechen.
Der zunehmende Leistungsbedarf sowohl im Privaten als auch industriellen Bereich sowie die Entwicklung und der Einsatz immer leistungsfähigerer und leistungsstärkerer Maschinen und Antriebssysteme und das damit einhergehende Auftreten immer stärkerer beziehungsweise größerer leistungselektronischer und elektrischer Lasten, sowie durch diese Lasten verursachte Oberschwingungen, führen insbesondere im Energieversorgungsbereich, aber auch in der Verkehrstechnik zu einer Reihe nachteiliger Nebeneffekte. So führen durch nichtlineare Lasten hervorgerufene Oberschwingungen beispielsweise zu einer Beeinträchtigung der Versorgungsströme oder -spannungen beziehungsweise ihrer Qualität und damit zu einer Beeinträchtigung der Leistungsqualität, was für Verbraucher, die an das gleiche elektrische Versorgungsnetz angekoppelt sind, das Auftreten von Fehlfunktionen und/oder Gerätedefekten bis in zu Geräteausfällen bedeuten kann.
Eine Möglichkeit die vorgenannten Probleme einzuschränken bietet der Einsatz aktiver Filter, die dabei wie eine Art geregelte Gegenstromquelle eingesetzt werden.
Demgemäß finden sich parallel geschaltete aktive Filterelemente in vielen technischen Bereichen zur Regelung und/oder Kompensation durch nichtlineare Lasten hervorgerufener Stromoberschwingungen und resultierender Blindströme, um zu gewährleisten, daß die Versorgungsströme bei einsetzender nichtlinearer Belastung ihren sinusförmigen Verlauf beibehalten und ein Leistungsfaktor von nahezu Eins gewährleistet ist.
Die maßgebliche Schwierigkeit liegt hierbei in der gleichzeitigen Regelung einer vergleichsweise großen Anzahl von Stromoberschwingungen, deren maximal regelbare höchste Frequenzkomponente nach theoretischen Gesichtspunkten und Überlegungen durch die halbe Schaltfrequenz des aktiven Filters vorgegeben ist.
Eine Verarbeitung von Lastströmen beziehungsweise von Stromgrund- sowie der zugehörigen Stromoberschwingungen erfolgt üblicherweise gemäß den Grundzügen der SRF (Synchronous Reference Frame)- oder FSRF(Fundamental Synchronous Reference Frame)-Theorie. Gemäß der FSRF-Theorie werden zunächst, sowohl die Ströme als auch gegebenenfalls die Spannungen in einem dreiphasigen statischen beziehungsweise stationären, nicht rotierenden Bezugssystem mit drei, den einzelnen Phasen entsprechenden und um jeweils 120 ° gegeneinander verdrehten, sich in einem gemeinsamen Ursprung schneidenden Achsen ermittelt und in ein statisches bzw. stationäres, nicht rotierendes kartesisches Bezugssystem mit einer α-, β- und Null-Achse übertragen. Aus vorgenanntem statischen beziehungsweise stationären, nicht rotierenden αβ-Bezugssystem erfolgt ein erneuter Übertrag der Meßgrößen auf das SRF- oder FSRF-Bezugssystem. Hierbei handelt es sich um ein kartesisches Bezugssystem mit einer d-, q- und Null-Achse, dessen d- und q- Achse, beim FSRF-Bezugssystem synchron mit der Frequenz der Grundschwingung, um die Null-Achse des Bezugssystems rotieren. Die standardgemäße Rotationsrichtung ist hierbei der Zeigerbewegung einer Uhr entgegengerichtet und entspricht damit dem Drehsinn des Mitsystems der Grundschwingung. Im FSRF-Bezugssystem sind die Ströme oder Spannungen nach Wirk- und Blindanteil getrennt, wobei die d-Achse den Wirk- und die q-Achse den Blindanteil der angegebenen Strom- beziehungsweise Spannungswerte wiedergibt.
Scheint ein aus drei phasenverschobenen Strömen oder Spannungen gebildeter Vektor in der Raumzeigerdarstellung des dreiphasigen statischen beziehungsweise stationären, nicht rotierenden 123-Bezugsystems mit der Frequenz der Strom- und/oder Spannungsgrundschwingung um den Ursprung zu rotieren, so werden die Wechselstrom- und/oder Wechselspannungsgrößen der Grundschwingung nach Transformation in das dq-Bezugssystem, das synchron mit der Frequenz der Strom- bzw. Spannungsgrundschwingung rotiert, als Gleichstrom- beziehungsweise Gleichspannungsgrößen wiedergegeben und die vermeintliche Rotation des Vektors unterbleibt.
Dieser Sachverhalt wird für die regelungstechnische Signalverarbeitung genutzt, da es, aufgrund der eingesetzten Regelglieder vorteilhafter ist Gleichstrom- und/oder Gleichspannungsgrößen zu regeln oder zu verarbeiten als Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsgrößen. Dies lässt sich darauf zurückführen, daß bei der Verarbeitung von Wechselstrom- und/oder Wechselspannungsgrößen unter Einsatz von entsprechenden Regelgliedern, insbesondere von Proportional-Integral-Reglern (PI-Regler) und/oder Integral-Reglern (I-Regler), im stationären Betrieb eine Regel- oder Stellwertabweichung auftritt, wohingegen bei der Verarbeitung von Gleichstrom- oder -spannungsgrößen eine Regel- oder Stellwertabweichung von nahezu Null erreichbar ist.
Treten beispielsweise in den Versorgungsströmen Oberschwingungen auf, so werden diese gemeinsam mit der Grundschwingung in das FSRF-Bezugssystem transformiert, besitzen jedoch in Folge ihrer, relativ zum rotierenden Bezugssystem geänderten Frequenz dort eine andere Ordnung als zuvor. Wird zum Beispiel die Stromoberschwingung fünfter Ordnung, bei der es sich typischerweise um eine Gegensystem-Oberschwingung handelt, deren Raumzeiger entgegen der Drehrichtung der Grundschwingung mit der fünffachen Frequenz rotiert, in das FSRF-Bezugssystem transformiert, so ändert sich ihre relativ zum Bezugssystem gemessene Rotationsfrequenz und sie erscheint als Gegensystem-Oberschwingung sechster Ordnung.
Bei vorliegenden Unsymmetrien kann jede Oberschwingung ihre eigenen Gegen-, Mit- und Null-Systemanteile aufweisen. Als Null-Systemanteile werden hierbei diejenigen Frequenzanteile bezeichnet, die auf dem Nulleiter auftreten.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß im FSRF-Bezugssystem gegenüber dem dreiphasigen statischen bzw. stationären, nicht rotierenden 123-System das Gegensystem der Grundschwingung als Gegensystem-Oberschwingung zweiter Ordnung auftritt und durch Regelung dieser Oberschwingung im FSRF-System eine Lastsymmetrierung erreicht werden kann, so daß keine separate, zusätzliche Regelung speziell für die Lastsymmetrierung erforderlich ist.
Zur Erzeugung der zum Ansteuern eines aktiven Filterelementes erforderlichen Referenzströme werden zunächst die Lastströme mit Stromgrund- sowie Stromoberschwingungen mittels einer Clark-Transformation, die durch Relation 1 wiedergegeben ist, in das statische bzw. stationäre, nicht rotierende αβ-Bezugssystem übertragen und von dort, durch eine in Relation II wiedergegebene Park-Transformation, in das FSRF-Bezugssystem übertragen.
Clark-Transformation:
wobei I₁, I₂ und I₃ die drei im statischen 123-Bezugssystem, entsprechend den drei Phasen, auftretenden Lastströme bzw. Laststromanteile und I_α, I_β und I₀ die drei ins αβ-Bezugssystem transformierten Lastströme angeben.
Park-Transformation:
wobei I_α, I_β und I₀ die drei ins αβ-Bezugssystem und I_d, I_q und I₀ die drei ins dq-Bezugssystem (FSRF) transformierten Lastströme bezeichnen und ρ die Phasenlage des Vektorzeigers der Versorgungsspannung im statischen 123-Bezugssystem wiedergibt.
Vorgenannte Transformationen lassen sich auch mittels eines einzigen Transformationsschrittes durchführen.
Da der auf der d-Achse des FSRF-Bezugssystems wiedergegebene Wirkstrom den nützlichen Gleichstromwirkanteil der Grundschwingung des Laststroms beinhaltet, läßt sich dieser Gleichstromwirkanteil mittels eines Tiefpassfilters extrahieren und vom gesamten Wirkstromanteil der d-Achse subtrahieren, wodurch nur noch der zu kompensierende Stromanteil erhalten bleibt.
Da die zur Kompensation der Oberschwingungsanteile erforderlichen Gegenströme des aktiven Filters von gleicher Größe jedoch mit umgekehrten Vorzeichen wie der Laststrom sein müssen, werden in der Referenzstromerzeugung die gemessenen Stromoberschwingungen invertiert und als Referenzwerte weiterverarbeitet. Zusätzlich müssen durch das aktive Filtersystem verursachte Verluste oder auch passive/aktive Lasten oder Einspeiseeinheiten am Gleichspannungszwischenkreis vom einspeisenden Netz versorgt werden. Dies erfolgt über einen Gleichspannungsregler, der den Referenzstrom in der d-Achse korrigiert bzw. regelt.
Für die Stromregelung wird ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) eingesetzt, der den Strom auf den jeweiligen Referenzwert regelt. Um die Steuerspannungen bzw. die Steuersignale zur Ansteuerung der Halbleiterventile des aktiven Filters zu erhalten wird das Ausgangssignal des Proportional-Integral-Stromreglers, welches den Spannungsabfall an der Eingangsspule bzw. -drossel des aktiven Filters wiedergibt, von der Versorgungsspannung zuzüglich zusätzlicher Entkopplungsanteile, die ein Übersprechen zwischen den Blind- und Wirkanteilen verhindern sollen, abgezogen. Die Versorgungsspannungen werden hierzu analog den Lastströmen in das FSRF-Bezugssystem übertragen. Die Steuerspannungen für die Ansteuerung der Halbleiterventile des aktiven Filters werden anschließend mittels einer inversen Park-Transformation gemäß Relation III in das statische αβ-Bezugssystem und schließlich mittels einer inversen Clark-Transformation gemäß Relation IV in das dreiphasige statische 123-Bezugssystem übertragen.
Inverse Park-Transformation:
wobei U*_fd, U*_fq und U*_f0 die drei ins dq-Bezugssystem (FSRF) und U*_fα, U*_fβ und U*_f0 die drei ins αβ-Bezugssystem transformierten Referenzspannungen für die Ansteuerung der Halbleiterventile des aktiven Filters bezeichnen und ρ die Phasenlage des Vektorzeigers der Versorgungsspannung im statischen bzw. stationären, nicht rotierenden 123-Bezugssystem wiedergibt.
Inverse Clark-Transformation:
wobei U*_fα, U*_fβ Und U*_f0 die drei ins αβ-Bezugssystem und U*_f1, U*_f2 und U*_f3 die drei ins dreiphasige statische 123-Bezugssystem transformierten Referenzspannungen für die Ansteuerung der Halbleiterventile des aktiven Filters bezeichnen.
Auch hier lassen sich die beiden vorgenannten Transformationen auch in einem einzigen Transformationsschritt durchführen.
Die erzeugten und in das dreiphasige statische 123-Bezugssystem transformierten Steuerspannungen U*_f1, U*_f2 und U*_f3 werden mittels Pulsbreitenmodulation in die für die Halbleiterventile erforderlichen Schaltsignale umgewandelt und diesen zugeführt.
Die Systemgleichungen eines aktiven Filtersystems, mit der Induktivität L_f und dem ohmschen Widerstand R_f lassen sich nach Transformation in das mit der Grundschwingungsfrequenz rotierende FSRF-Bezugssystem wie folgt angeben:
wobei U_f die Spannungen des aktiven Filters, I_f den Strom des aktiven Filters, dI_f die Änderung des Stromes des aktiven Filters, dt das Zeitintervall der Stromänderung dI_f im dq-Bezugssystem, jeweils nach Wirk- (d-Index) und Blindanteil (q-Index) getrennt, L_f die Eingangsinduktivität des aktiven Filters, R_f den ohmschen Widerstand des aktiven Filters und ω die Grundschwingungsfrequenz der Versorgungsspannung bezeichnen.
In bekannten Verfahren wird eine vorausschauende Stromregelung, die auch als „Charge Error Control" bezeichnet wird, eingesetzt. Diese weist im wesentlichen einen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) auf, dessen Integrator nach jedem durchlaufenen Abtastintervall zurückgesetzt wird. Der Proportional-Regler versucht ein überschwingungsfreies Betriebsverhalten, welches auch als „deadbeat"-Betriebsverhalten bezeichnet wird, zu erreichen, wohingegen der Integral-Regler aufgrund des nicht-idealen Regelverhaltens auftretende Fehler oder Abweichungen kompensiert. Es hat sich gezeigt, daß überschwingungsfreie Verstärker oder Verstärkungen nur sehr schwierig zu realisieren sind, insbesondere in Netzwerken mit vergleichsweise hohen Impedanzen. Erreicht der überschwingungsfreie Verstärker sein theoretisches Verstärkungslimit, so beginnt er in aller Regel zu Schwingen, das heißt, er geht von einem schwingungsfreien in einen nicht schwingungsfreien beziehungsweise schwingungsbehafteten Betriebszustand über.
Bei üblicherweise eingesetzten PI-Stromregler werden die jeweiligen Parameter derart optimiert, daß eine maximale Bandbreite und demgemäß eine, bezüglich der Wechselstromgrößen, minimierte Regelabweichung erreicht wird.
Die Transformation von Oberschwingungen in individuelle Bezugsräume, auf der Grundlage synchron mit der Frequenz der jeweiligen Oberschwingung rotierender Bezugssysteme (ISRF-Theorie) und der demgemäßen Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom- oder -spannungsgrößen, ermöglicht eine weiterführende Verarbeitung ohne signifikante Regel- oder Stellwertabweichungen. Dies bedingt jedoch einen vergleichsweise hohen technischen Aufwand.
In bekannter Weise können zur Stromregelung auch überschwingungsfreie Verstärker (deadbeat-Verstärker) eingesetzt werden. Hierbei bleiben auftretende zeitliche Verzögerungen aufgrund regelbedingter Totzeiten und/oder eingesetzter Filter jedoch unberücksichtigt. Insbesondere im Bereich aktiver Filter sind die Auswirkungen derartiger Verzögerungen jedoch oftmals sehr groß und ausschlaggebend für das Leistungsvermögen und die Effizienz der gesamten Regelstrecke. Ergänzend ist dabei festzustellen, daß bei vorgenannten Regelungen eine aktive Filterung mit Hilfe der Fryze-Buchholz-Depenbrock-Methode (FBD-Methode) erfolgt, welche sich signifikant von der Methodik einer Vektorregelung unterscheidet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Oberschwingungen bis hin zu einer, dem theoretischem Limit der jeweiligen leistungselektronischen Schaltung nahezu entsprechenden Grenzfrequenz regel- und/oder kompensierbar zu machen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optimierten Regelung von Oberschwingungen gelöst, welche mittels Pulsweitenmodulationsverfahren und überschwigungsfreiem (deadbeat) Regelansatz auf Basis jeweiliger Systemgleichungen und unter Verwendung einer FSRF-basierten Regelstrecke die Regel- und/oder Kompensierbarkeit von Oberschwingungen eines oberschwingungsbehafteten Signals, beispielsweise verursacht durch das Schalten aktiver leistungselektronischer Bauelemente und/oder verursacht durch nichtlineare Lasten, bis zu einer, dem theoretischen Frequenzlimit der jeweiligen leistungselektronischen Schaltung nahezu entsprechenden Oberschwingungsfrequenz mittels nur eines einzigen Schaltvorganges eines Stromrichters ermöglicht und gewährleistet.

Zwar kann durch Einsatz von Strom-Hysteresereglern ein Stromistwert vermittels nur eines Abtastschrittes bzw. Schaltvorganges an einen entsprechenden Stromreferenzwert angeglichen werden, jedoch ist beispielsweise die Entwicklung und Konditionierung von EMI-Filtern (Electro Magnetic Interference Filter) sowie die Einstellung einer fest vorgegebenen Schaltfrequenz mittels Hysteresereglern äußerst problematisch beziehungsweise problembehaftet.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zu seiner Durchführung erforderliche Vorrichtung werden im Folgenden beispielhaft anhand eines aktiven Filtersystems zur Kompensation von durch nichtlineare Lasten verursachten Oberschwingungen dargelegt.

Um anhand der in Relation V wiedergegebenen Systemgleichungen des aktiven Filtersystems einen vorgegebenen Referenzstromwert I* zu erhalten, sind die Referenzspannungen U* des aktiven Filters im FSRF-Bezugssystem wie folgt zu bestimmen:

wobei U_f* die Referenzspannung des aktiven Filters, I_f* den Referenzstrom des aktiven Filters, dI_f* die Änderung des Referenzstromes des aktiven Filters, dt das Zeitintervall der Stromänderung dI_f* im dq-Bezugssystem, jeweils nach Wirk- (d-Index) und Blindanteil (q-Index) getrennt, L_f die Eingangsinduktivität des aktiven Filters, R_f den ohmschen Widerstand des aktiven Filters und ω die Grundschwingungsfrequenz der Versorgungsspannung bezeichnen.

Vorausgesetzt sei hierbei eine erfindungsgemäße Implementierung im Rahmen einer rein analogen Regelung mit Pulsweitenmodulation, bei welcher die Ströme des aktiven Filters I_f und die Lastströme zu jeder halben Periode der Referenzdreieckspannung des Pulsweitenmodulators abgetastet werden.

Die Versorgungsspannungen werden im Gegensatz hierzu nicht abgetastet, sondern in ihrer ursprünglichen Signalform erfasst und weiterverarbeitet. Die Laststromabtastung erfolgt mit einer, der doppelten Schaltfrequenz des Stromrichters des Aktiven Filters entsprechenden Abtastfrequenz und wirkt wie ein Glättungsfilter bzw. ein Filter zur Glättung und/oder Kompensation von Schaltwelligkeiten (switching ripple filter).

An dieser Stelle sei angemerkt, daß bei einem aktiven Filter die theoretisch maximal regelbare Oberschwingungsfrequenz durch die halbe Schaltfrequenz des aktiven Filters bzw. seines Stromrichters vorgegeben ist.

Dieses Frequenzlimit kann praktisch jedoch nur dann erreicht werden, wenn es gelingt die Referenzströme I*_f des aktiven Filters in beziehungsweise mittels nur eines einzigen Abtastschrittes der Regelung bzw. eines einzigen Schaltvorganges des Stromrichters zu bestimmen und einzustellen. Um dies zu erreichen, muß die zeitliche Änderung des Referenzstromwertes dI_f*/dt der Differenz zwischen Referenz- und Iststromwert pro Abtastvorgang entsprechen, was durch Relation VII wiedergegeben ist.

Demgemäß ergeben sich nach Einsetzen von Relation VII in Relation VI die Referenzspannungen zu U*fd = Ud – RfI*fd – 2fswLf(I*fd – Ifd) + ωLfI*fq U*fq = Uq – RfI*fq – 2fswLf(I*fq – Ifq) – ωLfI*fd Relation VIII.

Hierbei bezeichnen U_f* die Referenzspannung des aktiven Filters, I_f* den Referenzstrom des aktiven Filters, I_f den Iststromwert, dI_f* die Änderung des Referenzstromes des aktiven Filters, dt das Zeitintervall der Stromänderung dI_f* im dq-Bezugssystem, jeweils nach Wirk- (d-Index) und Blindanteil (q-Index) getrennt, L_f die Eingangsinduktivität des aktiven Filters, R_f den ohmschen Widerstand des aktiven Filters, f_sw die Schaltfrequenz des aktiven Filters bzw. seines Stromrichters und ω die Grundschwingungsfrequenz der Versorgungsspannung.

Vorgenannte Referenzspannungen U*_f werden gemäß Relation VIII bestimmt, indem für den im Rahmen der Stromregelung eingesetzten PI-Stromregler eine Verstärkung K; von K_i = 2f_swL_f gewählt und der integrale Anteil bzw. Beitrag zur Stellgröße des PI-Reglers entfernt wird, also folglich ein Proportionalregler mit der Verstärkung K_i gebildet wird. Unter Berücksichtigung von im Rahmen der FSRF-Stromregelung erforderlichen, zusätzlichen Entkopplungsanteilen, (+ωL_fI*fq) für die d- und (–ωL_fI*_fd) die q-Achse, sowie unter Berücksichtigung von durch ohmsche Widerstände R_f verursachte Spannungsabfälle ergeben sich aus der entsprechend konditionierten Regelstrecke die in Relation VIII dargelegten Beziehungen bzw. Gesetzmäßigkeiten.

Die durch ohmsche Widerstände verursachten Spannungsabfälle können gegenüber den übrigen auftretenden Spannungswerten im allgemeinen jedoch vernachlässigt werden.

Wird der Iststromwert I_f nun vermittels nur eines einzigen Schaltvorganges an den Referenzstromwert I_f* angeglichen, so tritt zwischen den beiden sich ergebenden Stromverläufen ein zeitlicher Versatz bzw. eine Verzögerung auf, die einer halben Schwingungsperiode der der Pulsweitenmodulation zugrunde gelegten Trägerwelle entspricht.

Um eine möglichst exakte und effiziente Oberschwingungskompensation bis hin zur halben Schaltfrequenz des Stromrichters zu erreichen und zu gewährleisten wird den Lastströmen, anhand derer die Referenzströme I_f* des aktiven Filters ermittelt werden, ein Phasenvorschub von vorzugsweise einer halben Abtastperiode beaufschlagt.

Ein solcher Phasenvorschub wird beispielsweise unter Verwendung von Informationen aus dem letzten bzw. vorangegangenen Abtastzyklus des Laststromes erreicht. Hierfür wird der Laststrom zunächst regelbasiert abgetastet, digitalisiert und auf einem Datenträger oder einem Speicherelement zwischengespeichert. Während des nun folgenden Atastzyklus wird immer ein zwischengespeicherter Abtastwert vorausgelesen bzw. um eine Abtastung vorausversetzt ausgelesen und in ein analoges Signal rücktransformiert.

Handelt es sich um eine Wellenform, die zu ihrer Viertelwelle symmetrisch ist, was für die meisten praktischen Anwendungsbereiche gilt, so läßt sich auch die in einer Viertelwelle enthaltene Information zur Beaufschlagung eines entsprechenden Phasenvorschubes verwenden.

Entsprechendes gilt auch für Wellenformen, die zu ihrer Halbwelle symmetrisch sind.

Im Falle auftretender Transienten wird zur Bestimmung des Phasenvorschubes statt der Informationen des vorangegangenen Abtastzyklus der Istwert des Laststromes herangezogen. Transienten werden durch schrittweises Vorgehen, von Abtastung zu Abtastung, aufgespürt, so daß bei auftretenden Rauschanteilen nur ein einzelner abgetasteter Wert nicht durch die abgespeicherten Zyklusinformationen korrigiert werden kann.

Transienten in den Lastströmen werden ermittelt, indem ein vorbestimmter Hysteresebereich von beispielsweise ±15 A (Ampere) um den im vorigen Zyklus abgetasteten und zwischengespeicherten Laststromverlauf herum definiert bzw. festgelegt wird.

Zwecks Erreichung möglichst guter dynamischer Eigenschaften der Regelung ist der vorbestimmte Hysteresebereich hierbei so schmalbandig wie möglich zu wählen.

Zur Extrapolation des Laststromes und Bestimmung des Phasenvorschubes können auch für sinusförmige Signalverläufe geeignete Näherungsalgorithmen oder Fitalgorithmen bzw. -verfahren eingesetzt werden.

In der Praxis häufig auftretende Schwierigkeiten, insbesondere nur ungenügend und/oder nicht hinreichend genau bekannte Parameter, lassen sich durch Ergänzen bzw. Hinzufügen eines integralen Anteils, beispielsweise durch zusätzliche Implementierung eines integralen Regelgliedes (I-Regler) zur jeweiligen Stellgröße überwinden.

Die entsprechenden Relationen hierzu ergeben sich wie folgt:

Wobei U_f* die Referenzspannung des aktiven Filters, I_f* den Referenzstrom des aktiven Filters, I_f den Iststromwert, dI_f* die Änderung des Referenzstromes des aktiven Filters, dt das Zeitintervall der Stromänderung dI_f* im dq-Bezugssystem, jeweils nach Wirk- (d-Index) und Blindanteil (q-Index) getrennt, L_f die Eingangsinduktivität des aktiven Filters, R_f den ohmschen Widerstand des aktiven Filters, f_sw die Schaltfrequenz des aktiven Filters bzw. seines Stromrichters, T_i die Zeitkonstante des Integral-Reglers und ω die Grundschwingungsfrequenz der Versorgungsspannung bezeichnen.

Einschränkend ist anzumerken, daß beim Auftreten regelungsbedingter zeitlicher Verzögerungen vorgenanntes Regelverfahren nicht die angestrebte Effizienz und Wirkung erzielt.

Sind jedoch keinerlei Netzimpedanzen vorhanden und treten keine anderweitig verursachten Verzögerungen oder zeitlichen Verschiebungen auf, beispielsweise in Form von Regelverzögerungen oder durch Filter hervorgerufene Verzögerungen, so wird vorteilhaft eine Oberschwingungsregelung bzw. -kompensation bis nahezu zum theoretischen Limit, nämlich der halben Schaltfrequenz des aktiven Filters bzw. seines Stromrichters, erreicht.

Entgegen bisherigen Annahmen sind in der Praxis jedoch häufig Verzögerungen, beispielsweise aufgrund einer verzögernd arbeitenden Regelung und/oder Abtastung und/oder variierenden Parametern und/oder eingesetzten Filtern, zu beobachten. Eine Kompensation auftretender Oberschwingungsanteile bis zur halben Schaltfrequenz mittels ausschließlicher Beaufschlagung eines Phasenvorschubes auf die Referenzströme, beispielsweise durch Heranziehung der Informationen des vorherigen Abtastzyklus, ist auf diese Weise nicht mehr möglich. In einem solchen Fall muß auch den rückgeführten Strömen I_f des aktiven Filters ein entsprechender Phasenvorschub beaufschlagt werden.

Ein solches Vorgehen führt jedoch bei den meisten praktischen Anwendungen zu Instabilitäten innerhalb des geschlossenen Regel- oder Rückkoppelkreises, was sich negativ und nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der entsprechenden Regelung auswirken kann.

Zur Erfüllung der durch Relation VI gegebenen Systemgleichungen ist deshalb die Implementierung einer zusätzlichen Vorsteuerung in Form eines entsprechenden zusätzlichen Übertragungsgliedes in die FSRF-basierte Stromregelung mit PI-Regler erforderlich. Ohmsche Verluste bleiben im Folgenden zunächst unberücksichtigt, da diese gegenüber den induktiven Verlusten in aller Regel vernachlässigbar sind. Sie können bei Bedarf jedoch in die Betrachtungen mit einbezogen werden.

Die Abtastfrequenz der Regelung entspricht der doppelten Schaltfrequenz f_sw des aktiven Filters. Bei davon abweichenden Abtastfrequenzen ist die Verstärkung der Vorsteuerung bzw. des zugehörigen Übertragungsgliedes entsprechend anzupassen. Der differentielle Anteil der Vorsteuerung, welcher dem induktiven Spannungsabfall an der Drossel des aktiven Filters entspricht, wird hierbei lediglich zur Regelung der im Referenzstrom I_f* auftretenden Wechselstromgrößen eingesetzt, das heißt nur unsymmetrische Schwingungsanteile und Oberschwingungsanteile werden differenziert und geregelt. Der PI-Regler wird zur Regelung der Grundschwingung sowie etwaig auftretender Fehler oder Abweichungen in den Oberschwingungsanteilen eingesetzt.

Zusätzlich wird in den Referenzstrompfad des PI-Reglers der FSRF-Stromregelung eine Abtastverzögerung von 1/z eingebaut. Diese zusätzliche Verzögerung bewirkt, daß der PI-Regler nur dann in den Regelprozeß eingreift, wenn die Vorsteuerung nicht richtig greift bzw. das zugehörige Übertragungsglied nicht korrekt arbeitet. Ist keine zusätzliche Abtastverzögerung vorgesehen, so konkurrieren die beiden Regelprozesse von Vorsteuerung und PI-Regelung miteinander, was eine Verschlechterung des Leistungsvermögen des Gesamtsystems zur Folge hat.

Um eine entsprechende Funktionalität des PI-Reglers auch ohne zusätzliche Abtastverzögerung zu gewährleisten, muß alternativ zu einer zusätzlichen Verzögerung seine Regelgeschwindigkeit vergleichsweise deutlich vermindert oder herabgesetzt werden, was wiederum die Regelung der Grundschwingung sehr langsam bzw. träge machen würde.

Da die zusätzliche Regelverzögerung von 1/z in den Referenzstrompfad implementiert wird, ist eine Verstärkung K_i zu wählen, die kleiner als der durch K_i = 2f_swL_f gegebene Wert ist. Da durch die zusätzliche Regelverzögerung maßgeblich Gleichstromgrößen beeinflußt werden, hat deren Implementierung auf die Regelbarkeit der Grundschwingung, hinsichtlich Regelgeschwindigkeit und Genauigkeit, keinen signifikanten Einfluß oder Effekt.

Vorteilhaft lassen sich die Parameter der PI-Regelung derart abstimmen, daß ein vergleichsweise hohes dynamisches Leistungsvermögen der Regelung erreicht wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich ein aufgrund der Ableitung bzw. Differentiation auftretender erhöhter Rauschanteil durch Verwendung eines Anti-Aliasing-Filters achter Ordnung auf der Seite der rückgeführten Lastströme bereinigen. Die Phasencharakteristik des vorgenannten Filters wird linear gewählt, so daß bis zum Erreichen der Grenzfrequenz keine Informationen verloren gehen. Die Grenzfrequenz liegt hierbei auf halber Höhe der Schaltfrequenz oder aber auch darüber. Alle Oberschwingungen bis zur halben Schaltfrequenz sind zeitlich gegeneinander versetzt, wobei ihre Wellenformen jedoch unverändert sind. Beispielhaft wird dem Anti-Aliasing-Filter eingangsseitig eine 50 Hz Dreieckspannung zugeführt, die bis auf einen Zeitversatz mit dem Ausgangssignal übereinstimmt. Der hier auftretende zeitliche Versatz läßt sich mit Hilfe der Informationen aus dem vorherigen bzw. vorangegangenen Abtastzyklus korrigieren. Hierfür wird eine phasensynchronisierte Schleife, beispielsweise in Form einer PLL-Schaltung implementiert, welche sicherstellt, daß die Schalt- und Abtastfrequenzen stets ganzzahlige Vielfache der Frequenz der Versorgungsspannung sind.

Zur Totzeitkompensation der Regelung und der für den nächsten Abtastzyklus erforderlichen Berechnungen ist den Lastströmen ein Phasenvorschub von genau zwei Abtastperioden zu beaufschlagen, zuzüglich einer Kompensation des durch den Anti-Aliasing-Filter hervorgerufenen Versatzes. Der Versorgungsspannung wird ein Phasenvorschub beaufschlagt, der 1,5 Verzögerungszeiteinheiten oder -perioden der Abtastregelung entspricht. Eine Periode im Hinblick auf Verzögerungen durch die Regelung und eine weitere halbe Periode im Hinblick auf dem Abtastprozeß zuzuschreibende Verzögerungen.

Innerhalb von Transienten kann ein Gleichspannungswert des aktiven Filters zeitweilig abfallen und/oder ansteigen. Aus diesem Grund werden die Referenzspannungen U_f* für die Pulsweitenmodulation bzw. den Pulsweitenmodulator mit dem Gleichspannungswert U_dc normiert bevor die Schaltsignale bzw. -pulse generiert werden. Dies führt zu einer vergleichsweise großen Verbesserung der dynamischen Eigenschaften. Zusätzlich kann das Gleichspannungssignal im stationären Zustand Welligkeiten aufweisen, die groß genug werden können, um Verzerrungen oder Störungen in den Stromrichterströmen I_f hervorzurufen bzw. zu verursachen. Diese Welligkeiten werden unter Verwendung der aus dem vorherigen Abtastzyklus extrahierten Informationen bereinigt. Für Transienten ist eine solche Korrektur nicht vorgesehen.

Vorgenannte Vorgehensweise reduziert den Filter-Aufwand um ein Vielfaches ohne jedoch die dynamischen Eigenschaften bzw. die dynamische Leistungsfähigkeit der Regelung zu beeinträchtigen.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren erschließen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise im Bereich der unterbrechungsfreien Stromversorgungen (auch als UPS oder USV bezeichnet) sowie der Antriebstechnik. Es ist nahezu bei allen Regelungen zur Regelung von Wechselstrom- und/oder Wechselspannungsgrößen, insbesondere bei Anordnungen aus in Serie geschalteten aktiven Filtern zur Regelung von Spannungsoberschwingungen, einsetzbar.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) haben im Gegensatz zu aktiven Filtern die Aufgabe eine sinusförmige Ausgangsspannung zu erhalten und zu gewährleisten. Im Falle auftretender nichtlinearer Lasten wird die Ausgangsspannung der USV aus den gleichen Gründen gestört wie der Strom eines aktiven Filters. Die Referenzstromerzeugung der USV entspricht hierbei prinzipiell derjenigen des aktiven Filters, so daß auch hinsichtlich der Stromregelung die gleichen Probleme auftreten. Verfahrensgemäß ist vorteilhaft eine Verbesserung der Qualität der Ausgangsspannung erreichbar, was eine verbessere Annäherung der USV-Ströme an die jeweiligen Lastströme bewirkt, wodurch vermieden wird, dass Oberschwingungen der Lastströme bis in den ausgangsseitig parallel geschalteten Kondensator dringen beziehungsweise auf ihn wirken. Demgemäß ist der Kondensator nur noch als eine Art Glättungsfilter erforderlich. Aufgrund des benötigten, reduzierten Funktionsumfanges des Kondensators läßt sich auch dessen leistungsbezogene Größe reduzieren, was sich wiederum positiv auf die dynamischen Eigenschaften der USV-Spannungsregelung auswirkt. Die ausgangsseitigen Spannungsregler werden dabei lediglich noch zur Regelung der Spannungsgrundschwingung eingesetzt.

Auch Antriebsregelungen können durch das Auftreten von Oberschwingungen im Strompfad empfindlich gestört werden. Ursächlich können die hier zu beobachtenden Oberschwingungen beispielsweise durch einen schlechten mechanischen Aufbau sowie einen stark gestörten Gleichspannungsanteil bei der Einspeisung hervorgerufen werden. Oberschwingungen, selbst mit vergleichsweise kleinen Amplituden, können Oszillationen des Drehmomentes hervorrufen, gegebenenfalls groß genug, den Motor und andere mechanische Teile und Komponenten nachhaltig zu beschädigen. Diese Beschädigungen wiederum führen in aller Regel zu reperaturbedingten Verzögerungen und Ausfallzeiten sowie zu immensen Kosten. Auch hier liegt die Lösung des Problems in der optimierten Regelung und/oder Kompensation auftretender Oberschwingungen.

Auch bei Serienfiltern ist vorteilhaft zur Verbesserung der Spannungsqualität, beispielsweise durch Regelung von Spannungsoberschwingungen, in Versorgungssystemen, ähnlich wie bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), alternativ eine entsprechende Spannungs- oder Stromregelung zur optimierten Regelung und/oder Kompensation von Oberschwingungen einsetzbar.

Das erfindungsgemäße Regelverfahren und/oder das entsprechende System lassen sich bei nahezu jeder Regelung von AC-Größen einsetzen.

Die weitere Erläuterung und Darlegung der Erfindung erfolgt anhand von einigen Zeichnungen und Ausführungsbeispielen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Figurenbeschreibungen und den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es zeigen:
1 beispielhafte Vorrichtung zur optimierten Regelung oder Kompensation von in Strom- oder Spannungsverläufen auftretenden Oberschwingungen,
3 ein Aufbauschema eines dreiphasigen aktiven Filters,
4 drei Bezugssysteme, nämlich ein statisches dreiphasiges Bezugssystem, ein statisches kartesisches Bezugssystem und ein rotierendes kartesisches Bezugssystem,
5 ein Schema einer Referenzstromerzeugung auf Basis der FSRF-Theorie,
6 ein Regelschema einer FSRF-Stromregelung,
7 in einer Simulation system- und/oder verfahrensgemäß erzeugte Versorgungsströme,
8 Frequenz- bzw. Schwingungsspektrum der simuliert erzeugten Versorgungsströme aus 7,
9 den simuliert erzeugten Versorgungsströmen aus 7 zugrunde gelegte Lastströme,
10 Frequenz- bzw. Schwingungsspektrum der zugrunde gelegten Lastströme aus 9,
11 die erste Phase eines Laststromes mit angegebenem Hysteresebereich. zur Detektion von Transienten,
12 FSRF-basierte Stromregelung mit Vorsteuerung und zusätzlichem Verzögerungsglied,
13 Eingangs- und Ausgangssignal eines eingesetzten Anti-Aliasing-Filters,
14 im Feldversuch system- und/oder verfahrensgemäß ermittelte Versorgungsspannungen,
15 dem Feldversuch aus 14 zugrunde gelegte Lastströme,
16 system- und/oder verfahrensgemäß generierte Versorgungsströme.
In 1 ist eine beispielhafte Vorrichtung zur optimierten Regelung oder Kompensation von in Strom- oder Spannungsverläufen auftretenden Oberschwingungen mit parallelgeschaltetem aktivem Filter und der Regelung zugrunde gelegten Eingangssignalen, wie insbesondere der DC-Spannung U_dc, den Versorgungsspannungen U, den Lastströmen 1 und den Strömen des aktiven Filters I_f, gezeigt. Die Vorrichtung umfasst eine FSRF-basierte Regelung mit einer Referenzwerterzeugung 1, einer Steuergrößenerzeugung 2 und Schaltsignalerzeugung 3 mit Pulsweitenmodulator zum Ansteuern eines Stromrichters 30, wobei die Referenzwerterzeugung 1 mindestens ein Regelglied zur FSRF-basierten Referenzwerterzeugung aufweist, die Steuergrößenerzeugung 2 zur Regelung oder Kompensation von Oberschwingungen am theoretischen Frequenzlimit bzw. vermittels nur eines einzigen Schaltvorganges des Stromrichters 30, mindestens ein, basierend auf den Systemgleichungen und unter Berücksichtigung eines überschwingungsfreien bzw. deadbeat-Regelansatzes respektive den sich daraus ergebenden Übertragungsfunktionen konditioniertes PI- oder P-Regelglied aufweist und die Schaltsignalerzeugung 3 mindestens einen Pulsweitenmodulator zur Erzeugung von Schaltsignalen zum Ansteuern des Stromrichters 30 aufweist, so dass eine optimierte Regelung bzw. Kompensation von Oberschwingungen erreicht wird.
In 2 ist ein Schaltungsaufbau dargestellt, in dem eine nichtlineare Last 22 aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle 21 gespeist wird. Parallel zur nichtlinearen Last 22 ist ein aktives Filter 20 zur Kompensation durch nichtlineare Lasten verursachter Oberschwingungen geschaltet. Der beispielhafte Verlauf der Versorgungsspannung, des Laststromes, des Filterstromes bzw. Stromes des aktiven Filters 20 und des Versorgungsstromes nach Oberschwingungskompensation ist jeweils dargestellt.
Der beispielhafte Aufbau eines aktiven dreiphasigen Filters 20 mit einem Konverter bzw. Stromrichter 30, mit Halbleiterventilen 31, Induktivitäten L_f, ohmschen Widerständen R_f sowie Kondensatoren 32 ist in 3 gezeigt. Die an den Kondensatoren 32 anliegende Spannung wird geregelt, um eine konstante virtuelle Gleichspannung U_dc aufrechtzuerhalten. Die netzseitigen Spannungen U₁, U₂ und U₃ werden ermittelt und es werden entsprechende Schaltsignale generiert, so daß die Spannungsdifferenz zwischen jeweils U₁ und U_f1, U₂ und U_f2 sowie zwischen U₃ und U_f3 einen gewünschten Wert annimmt. Durch Regelung der Spannungen U_f1, U_f2 und U_f3 am Stromrichter 30 läßt sich der über die Halbleiterventile 31 fließende Strom I_f1, I_f2 und I_f3 regeln und das aktive Filter 20 demgemäß als eine Art geregelte Stromquelle betreiben. Bei den eingesetzten Halbleiterventilen 31 handelt es sich beispielsweise um IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistors).
In 4 werden die verschiedenen Bezugssysteme vorgestellt, die im Rahmen des Regelverfahrens zur Verarbeitung der Grund- und Oberschwingungen herangezogen werden. In 4 auf der linken Seite ist das dreiphasige statische bzw. stationäre, nicht rotierende 123-Bezugssystem 40 gezeigt, dessen jeweils um 120° gegeneinander versetzte 1,2 und 3-Achse den drei Phasen des Stromes oder der Spannung entsprechen. Mittig in 4 ist das statische bzw. stationäre, nicht rotierende kartesische αβ-Bezugssystem 41 mit α-, β- und Null-Achse gezeigt, dessen Ströme oder Spannungen sich mittels einer Clark-Transformation aus den dreiphasigen Strömen des vorgenannten statischen 123-Bezugssystems 40 ergeben. Auf der rechten Seite von 4 ist ein rotierendes kartesisches Bezugssystem 42 gezeigt, dessen rotierende d-Achse den Wirk- und q-Achse den Blindanteil der Spannung oder des Stromes wiedergibt. Der Übergang vom αβ-Bezugssystem 41 in das dq-System 42 erfolgt mittels einer Park-Transformation. Will man die verschiedenen Bezugssysteme in umgekehrter Richtung durchlaufen, so sind entsprechend die inversen Transformationen auf die jeweiligen Meßgrößen anzuwenden.
In 5 ist schematisch die Referenzstromerzeugung aus den nichtlinearen Lastströmen auf Basis der FSRF-Theorie dargelegt. Zur Erzeugung der Referenzströme zur Stromregelung mittels eines aktiven Filterelementes 20 (vgl. 3) werden zunächst die Lastströme mit Stromgrund- sowie Stromoberschwingungen in einem ersten Schritt in einem Transformationsglied 50 mittels einer Clark-Transformation, die durch Relation I wiedergegeben wird, in das stationäre αβ-Bezugssystem 41 übertragen und von dort in einem zweiten Schritt in einem weiteren Transformationsglied 51 durch die in Relation II wiedergegebene Park-Transformation in das FSRF-Bezugssystem 42 übertragen. Da der auf der d-Achse des FSRF-Bezugssystems 42 wiedergegebene Gleichstromwirkanteil den nützlichen Grundschwingungswirkanteil des Laststroms beinhaltet, läßt sich dieser in einem dritten Schritt mittels eines Tiefpassfilters 52 extrahieren und an einer Additionsstelle 53 vom gesamten Wirkstromanteil der d-Achse subtrahieren, wodurch lediglich der zu kompensierende Stromanteil Ĩ_d übrig bleibt. Da die zur Kompensation der Oberschwingungen erzeugten Ströme des aktiven Filterelementes 20 von entsprechender Größe jedoch mit umgekehrten Vorzeichen wie der Laststrom sein müssen, werden die ermittelten Ströme I_d, I_q und I₀ in einem vierten Schrift in einem Regelglied zur Referenzstrombildung 54 invertiert und in der d-Achse auftretende, durch das aktive Filter 20 verursachte Verluste oder auch andere Wirkanteile am Gleichspannungszwischenkreis mittels eines Gleichspannungsreglers 55 wieder ausgeglichen und somit die Referenzströme I*_fd, I*_fq und I*_f0 gebildet. Im Gleichspannungsregler 55 wird durch Differenzbildung aus Gleichspannungsistwert- U_dc und -sollwert U*_dc an einer Additionsstelle 56 das Eingangssignal eines Proportional-Integral-Reglers 57 gebildet. Das Ausgangssignal Ī_dloss des PI-Reglers 57 ist bzw. wird dem Regelglied zur Referenzstrombildung 54 zugeführt.
Der systematische Aufbau einer Stromregelung im FSRF-Bezugssystem wird anhand von 6 verdeutlicht. Die gemäß 5 generierten Referenzströme I*_fd, I*_fq und I*_f0 werden in einem ersten Schritt mittels eines Stromreglers 60 mit Additionsstellen 61 mit den ins FSRF-Bezugssystem transformierten Strömen I_fd, I_fq und I_f0 des aktiven Filters 20 verglichen und mittels Proportional-Integral-Regler 62 wird jeweils eine der jeweiligen Stromdifferenz entsprechende Steuerspannung U*_Lfd, U*_Lfq und U*_Lf0 erzeugt. Diese wiederum werden, jede Achse (vgl. 4) für sich, an Additionsstellen 63 mit den jeweiligen Versorgungsspannungen zuzüglich zusätzlicher jeweiliger Entkoppelungsanteile, (+ωL_fI*_fq) für die d- und (–ωL_fI*_fd) die q-Achse, verknüpft. Anschließend werden in einem zweiten Schritt in einem Transformationsglied 64 die resultierenden Spannungen U*_fd, U*_fq und U*_f0 mittels einer inversen Park- und darauf folgend in einem dritten Schritt in einem weiteren Transformationsglied 65 mittels einer inversen Clark-Transformation in das statische dreiphasige 123-Bezugssystem 40 (vgl. 4) rückübertührt und abschließend einem Pulsbreitenmodulator 66 zugeführt. Mittels der zugeführten Steuerspannungen erzeugt dieser die zum Schalten des Stromrichters 30 bzw. der Halbleiterventile 31 des aktiven Filters 20 notwendigen Schaltsignale.
Um eine möglichst exakte und effiziente Oberschwingungskompensation bis hin zur halben Schaltfrequenz des Stromrichters zu erreichen und zu gewährleisten wird den Lastströmen, anhand derer die Referenzströme I_f* des aktiven Filters ermittelt werden, ein Phasenvorschub von vorzugsweise einer halben Abtastperiode beaufschlagt.
Ein solcher Phasenvorschub ist beispielsweise unter Verwendung von Informationen aus dem letzten bzw. vorangegangenen Abtastzyklus des Laststromes oder bei auftretenden Transienten auch anhand der jeweiligen Laststromistwerte bestimmbar.
Transienten in den Lastströmen werden unter Verwendung eines vorbestimmten Hysteresebereichs mit einem oberen Hystereseband von +15 A (Ampere) und einem unteren Hystereseband von –15 A um den im vorherigen Zyklus abgetasteten und zwischengespeicherten Laststromverlauf herum detektiert und bestimmt. Ein derartiger Verlauf von Phase 1 eines Laststromes mit angegebenem Hysteresebereich ist in 7 angegeben.
System- und/oder verfahrensgemäß in einer Simulation generierte Versorgungsströme, bzw. die drei Phasen des Versorgungsstromes, sind in 8 angegeben, wobei die ihrer Bestimmung zugrunde gelegten Lastströme in 10 gezeigt sind. 9 und 11 zeigen die jeweiligen Frequenz- bzw. Schwingungsspektren mit den entsprechenden Oberschwingungsanteilen.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass der im Laststrom auftretende Oberschwingungsanteil 61^ster Ordnung ebenfalls durch das eingesetzte Aktive Filter bereinigt wird und in den Versorgungsströmen nicht auftritt. Der Oberschwingungsanteil 61^ster Ordnung entspricht dabei nahezu der halben Schaltfrequenz von 6,45 kHz des Aktiven Filters, so dass das gesetzte Ziel, nämlich eine Oberschwingungskompensation bis zum theoretischen Frequenzlimit – der halben Schaltfrequenz des Aktiven Filters – in der Simulation erreicht wurde.
Bei auftretenden regel- und/oder systembedingten Verzögerungen ist, wie in 12 gezeigt zur Erfüllung der durch Relation VI gegebenen Systemgleichungen die Implementierung einer zusätzlichen Vorsteuerung in Form eines entsprechenden zusätzlichen Übertragungsgliedes 120 in den FSRF-basierten Stromregler 60. Das Übertragungsglied mit der Übertragungsfunktion F = 2f_swL_fdI_f* ist hierbei ausgehend vom Referenzstrompfad, parallel zum PI-Regler 62 geschaltet. Der differentielle Anteil der Vorsteuerung bzw. des zugehörigen Regelgliedes 120 wird zur Regelung der im Referenzstrom I_f* auftretenden Wechselstromgrößen verwendet, das heißt nur unsymmetrische Schwingungsanteile und Oberschwingungsanteile werden differenziert und geregelt. Der PI-Regler 62 wird zur Regelung der Grundschwingung sowie etwaig auftretender Fehler oder Abweichungen in den Oberschwingungsanteilen eingesetzt.
Zusätzlich wird in den Referenzstrompfad des PI-Reglers 62 des FSRF-Stromreglers 60, nach Verzweigung in die Vorsteuerung ein Regelglied 121 zur Einstellung einer zusätzlichen Abtastverzögerung von 1/z eingebaut. Diese zusätzliche Verzögerung bewirkt, daß der PI-Regler 62 nur dann in den Regelprozeß eingreift, wenn die Vorsteuerung nicht richtig greift bzw. das zugehörige Übertragungsglied 120 nicht korrekt arbeitet. Ist keine zusätzliche Abtastverzögerung vorgesehen, so konkurrieren die beiden Regelprozesse des Übertragungsgliedes 120 und des PI-Reglers 62 miteinander, was eine Verschlechterung des Leistungsvermögen der gesamten FSRF-basierten Stromregelung zur Folge hat.
Aufgrund des differenziellen Anteils der Vorsteuerung kann es zu erhöhten Rauschanteilen in den rückgeführten Lastströmen kommen. Diese lassen sich jedoch, wie in 13 gezeigt, durch den Einsatz eines Anti-Aliasing-Filters achter Ordnung auf der Seite der rückgeführten Lastströme weitgehend bereinigen. In 13 ist das Ein-130 und Ausgangssignal 131 eines zur Rauschunterdrückung eingesetzten Anti-Aliasing Filters gezeigt. Die Phasencharakteristik des Filters wird linear gewählt, so daß bis zum Erreichen der Grenzfrequenz keine Informationen verloren gehen. Die Grenzfrequenz liegt hierbei auf halber Höhe der Schaltfrequenz oder aber auch darüber. Alle Oberschwingungen bis zur halben Schaltfrequenz sind zeitlich gegeneinander versetzt, wobei ihre Wellenformen jedoch unverändert sind. In 13 wird dem Filter eingangsseitig beispielhaft eine 50 Hz Dreieckspannung zugeführt, die bis auf einen Zeitversatz mit dem Ausgangssignal übereinstimmt.
In einem Feldversuch system- und/oder verfahrensgemäß generierte Versorgungsspannungen, bzw. die drei Phasen der Versorgungsspannung, sind in 13 angegeben, wobei die ihrer Bestimmung zugrunde gelegten Lastströme in 14 gezeigt sind. In 16 die den Versorgungsspannungen aus 13 entsprechenden, system- und/oder verfahrensgemäß generierten Versorgungsströme gezeigt.

U*_dc: dc Referenzspannung oder Spannungsistwert
U_dc: dc Spannungsistwert
I_dc: dc-seitiger Strom des aktiven Filters
K_udc: Verstärkung des PI-Reglers zur dc-Spannungsregelung
T_udc: Integrationskonstante des dc-Spannungs-PI-Reglers
U₁, U₂, U₃: Versorgungsspannungen im dreiphasigen statischen 123-Bezugssystem 40
U: verallgemeinerte Bezeichnung der Versorgungsspannung
U_α, U_β: Versorgungsspannungen im statischenαβ-Bezugssystem 41
U₀: Null-Achsenanteil der Versorgungsspannung
U_d, U_q: Versorgungsspannungen im rotierenden dq-Bezugssystem (FSRF) 42
I₁, I₂, I₃: Lastströme im dreiphasigen statischen 123-Bezugssystem 40
I: verallgemeinerte Bezeichnung des Laststromes
I_α, I_β: Lastströme im statischen αβ-Bezugssystem 41
I₀: Null-Achsenanteil des Laststromes
I_d, I_q: Lastströme im rotierenden dq-Bezugssystem (FSRF) 42
I_dn, I_qn: Lastströme n-ter Ordnung im ISRF-Bezugssystem
T_p: Zeitkonstante des Tiefpassfilters
Ĩ_d: AC-Anteil des d-Achsen (Wirkanteil) Laststromes
Ī_dloss: d-Achsen (Wirkanteil) dc-Verluststrom des aktiven Filtersystems
I_f1, I_f2, I_f3: Ströme des aktiven Filters 20 im dreiphasigen statischen 123-Bezugssystem 40
I_f: verallgemeinerte Bezeichnung des Stromes des aktiven Filters 20
I_fα, I_fβ: Ströme des aktiven Filters 20 im statischen αβ-Bezugssystem 41
I_f0: Null-Achsenanteil des Stromes des aktiven Filters 20
I_fd, I_fq: Ströme des aktiven Filters im rotierenden dq-Bezugssystem (FSRF) 42
I_fdn, I_fqn: Ströme des aktiven Filters n-ter Ordnung im rotierenden dq-Bezugssystem (FSRF) 42
I*_fd, I*_fq: Wirkanteil (d-Achse) und Blindanteil (q-Achse) des Referenzstromes im FSRF-Bezugssystem 42
I*_f0: Null-Achsenanteil des Referenzstromes im FSRF-Bezugssystem 42
I*_fdn, I*_fqn: Wirkanteil (d-Achse) und Blindanteil (q-Achse) des Referenzstromes des aktiven Filters im ISRF-Bezugssystem n-ter Ordnung
I*^or _fdn, I*^or _fqn: korrigierte, ins FSRF-Bezugssystem transformierte Referenzströme n-ter Ordnung
I*^total _fd, I*^total _fq: im FSRF- Bezugssystem über alle Ordnungen aufsummierte, korrigierte Referenzströme zuzüglich derjeweiligen Referenzström I*_fd, I*_fq
K_i: Verstärkung des FSRF-Stromreglers oder der FSRF-Stromreglung
T_i: Zeitkonstante des FSRF-Stromreglers oder der FSRF-Stromreglung
U*_Lfd, U*_Lfq: Wirkanteil (d-Achse) und Blindanteil (q-Achse) der Referenzspannung am Ausgang der Stromregelung im FSRF-Bezugssystem 42
U*_Lf0: Null-Achsenanteil der Referenzspannung im FSRF-Bezugssystem 42
U*_fd, U*_fq: Wirkanteil (d-Achse) und Blindanteil (q-Achse) der resultierenden Referenzspannung des aktiven Filters 20 im FSRF-Bezugssystem 42
U*_f0: Null-Achsenanteil der Referenzspannung des aktiven Filters im FSRF-Bezugssystem 42
U*_fα, U*_fβ: Resultierende Referenzspannung des aktiven Filters im statischen αβ-Bezugssystem 41
U*_f1, U*_f2, U*_f3: Resultierende Referenzspannungen des aktiven Filters im dreiphasigen statischen 123-Bezugssystem 40
U_f1, U_f2, U_f3: Spannungen des aktiven Filters im dreiphasigen statischen 123-Bezugssystem 40
ω: Grundschwingungsfrequenz der Versorgungsspannung
ρ: Raumzeigerposition im dreiphasigen statischen 123-Bezugssystem
L_f, R_f: Eingangsinduktivität (Idrossel) und ohmscher Widerstand des aktiven Filters
C_dc: dc-seitiger Kondensator des aktiven Filters
s: Laplaceoperator
j: √-1
SRF: (Synchronous Reference Frame) synchron rotierendes Bezugssystem
FSRF: (Fundamental Synchronous Reference Frame) synchron mit der Frequenz der Grundschwingung rotierendes Bezugssystem
1: Referenzstromerzeugung in 1
2: Steuergrößenerzeugung in 1
3: Schaltsignalerzeugung in 1
20: aktives Filter (Leistungsteil) in 2
21: dreiphasige Versorgungsspannung in 2
22: Lastquelle in 2
30: Stromrichter des aktiven Filters 20 3
31: Halbleiterventile des Stromrichters 30 in 3
32: Kondensatoren des dc-Spannungszwischenkreises in 3
40: dreiphasiges statisches bzw. stationäres, nicht rotierendes Bezugssystem bzw. 123-Bezugssystem in 4
41: statisches bzw. stationäres, nicht rotierendes kartesisches αβ-Bezugssystem in 4
42: Synchron mit der Frequenz ω rotierendes dq-Bezugssystem (FSRF) in 4
50: Transformationsglied mit Clark-Transformation ins αβ-Bezugssystem in 5
51: Transformationsglied mit Park-Transformation ins dq-Bezugssystem (FSRF) in 5
52: Tiefpassfilter in 5
53: Additionsstelle zur Eliminierung der Gleichstromwirkanteile in 5
54: Regelglied zur Referenzstromerzeugung in 5
55: Gleichspannungsregler in 5
56: Additionsstelle zur Berechnung der Regelabweichung zwischen dem U_dc- Istwert und dem U_dc Referenzwert
57: PI-Regler des Gleichspannungsreglers in 5
60: Stromregler der FSRF-Regelung in 6
61: Additionsstelle des Stromreglers zur Subtraktion des Stromes des aktiven Filters I_f vom Referenzstrom des aktiven Filters I*_f in 6
62: PI-Regler einer konventionellen FSRF-Stromregelung mit der Übertragungsfunktion F = K_i(l + st_i)/sT_i
63: Weitere oder zweite Additionsstelle des Stromreglers zur Spannungsdifferenzbildung in 6
64: Transformationsglied mit inverser Park-Transformation ins αβ-Bezugssystem 41 in 6
65: Transformationsglied mit inverser Clark-Transformation ins dreiphasige statische Bezugssystem 40 in 6
66: Pulsbreitenmodulator in 6

Claims

Verfahren zur optimierten Regelung oder Kompensation von in Strom- oder Spannungsverläufen auftretenden Oberschwingungen, insbesondere bei leistungselektronischen Schaltungen mit aktiven Filterelementen (20), mittels einer FSRF-basierten Regelung mit Referenzwerterzeugung (1), Steuergrößenerzeugung (2) und Schaltsignalerzeugung (3) mit Pulsweitenmodulator zum Ansteuern eines Stromrichters (30), wobei a) in der Referenzwerterzeugung (1) FSRF-basiert Referenzwerte erzeugt werden, b) in der Steuergrößenerzeugung (2) zur Regelung oder Kompensation von Oberschwingungen am theoretischen Frequenzlimit bzw. vermittels nur eines einzigen Schaltvorganges des Stromrichters (30), aus den Referenzwerten, basierend auf den Systemgleichungen und unter Berücksichtigung eines überschwingungsfreien bzw. deadbeat-Regelansatzes respektive der sich daraus ergebenden Übertragungsfunktionen, entsprechende Steuergrößen generiert werden und c) in der Schaltsignalerzeugung (3) mit Pulsweitenmodulator anhand der Steuergrößen Schaltsignale zum Ansteuern des Stromrichters (30) erzeugt werden, so daß eine optimierte Regelung bzw. Kompensation von Oberschwingungen erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das theoretisch regelbare Frequenzlimit durch die halbe Schaltfrequenz des Stromrichters (30) vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastströme und Ströme des aktiven Filters (20) zu jeder halben Schwingungsperiode der Referenzspannung des Pulsweitenmodulators durch die Regelung abgetastet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung von Oberschwingungen am theoretischen Frequenzlimit die Referenzströme des aktiven Filters vermittels eines einzigen Abtast- bzw. Schaltvorganges bestimmt und eingestellt werden und somit der Iststromwert mit nur einem Schaltvorgang an den Referenzstromwert angeglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Lastströmen ein Phasenvorschub von einer halben Abtastperiode beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aktiven Filtersystem die Regelgleichungen der Steuergrößenerzeugung (2) für den d- und den q-Achsenanteil durch die folgenden Relationen gegeben werden: U* fd = Ud – RfI* fd – 2fswLf(I*fd – Ifd) + ωLfI*fq U*fq = Uq – RfI*fq – 2fswLf(I*fq – Ifq) – ωLfI*fd
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den im Rahmen der Steuergrößenerzeugung (2) eingesetzten PI-Reglers eine Verstärkung K_i von K_i = 2f_swL_f gewählt und der integrale Anteil bzw. Beitrag zur Stellgröße des PI-Reglers entfernt wird, also ein Proportionalregler mit vorgenannter Verstärkung K_i gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Regelungenauigkeiten durch Hinzufügen eines integralen Anteils zur Stellgröße kompensiert werden, was durch die folgenden Relationen wiedergegeben wird:
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei auftretenden Verzögerungen bzw. zeitlichen Verschiebungen zur Regelung der AC-Größen in den Referenzströmen parallel zum PI-Regelglied, sowohl für die d-, die q- und die 0-Achse eine zusätzliche Vorsteuerung mit der Übertragungsfunktion F = 2f_swL_fdI* in die Steuergrößenerzeugung implementiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei auftretenden Verzögerungen bzw. zeitlichen Verschiebungen in Referenzpfad des jeweiligen PI-Regelgliedes der Steuergrößenerzeugung eine zusätzliche Abtastverzögerung implementiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rauschunterdrückung auf der Seite der rückgeführten Lastströme ein Anti-Aliasing Filter verwendet wird.
Vorrichtung zur optimierten Regelung oder Kompensation von in Strom- oder Spannungsverläufen auftretenden Oberschwingungen, insbesondere bei leistungselektronischen Schaltungen mit aktiven Filterelementen (20), mittels einer FSRF-basierten Regelung mit Referenzwerterzeugung (1), Steuergrößenerzeugung (2) und Schaltsignalerzeugung (3) mit Pulsweitenmodulator zum Ansteuern eines Stromrichters, wobei a) die Referenzwerterzeugung mindestens ein Regelglied zur FSRF-basierten Referenzwerterzeugung (1) aufweist, b) die Steuergrößenerzeugung (2) zur Regelung oder Kompensation von Oberschwingungen am theoretischen Frequenzlimit bzw. vermittels nur eines einzigen Schaltvorganges des Stromrichters (30), mindestens ein, basierend auf den Systemgleichungen und unter Berücksichtigung eines überschwingungsfreien bzw. deadbeat-Regelansatzes respektive den sich daraus ergebenden Übertragungsfunktionen konditioniertes PI- oder P-Regelglied aufweist, c) die Schaltsignalerzeugung (3) mindestens einen Pulsweitenmodulator zur Erzeugung von Schaftsignalen zum Ansteuern des Stromrichters (30) aufweist, um eine optimierte Regelung bzw. Kompensation von Oberschwingungen zu erreichen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das theoretisch regelbare Frequenzlimit durch die halbe Schaltfrequenz des Stromrichters (30) vorgegeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Regelglied vorgesehen ist, das eine Abtastung der Lastströme und Ströme des aktiven Filters (20) zu jeder halben Schwingungsperiode der Referenzspannung des Pulsweitenmodulators durchführt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Regelglied zur Regelung von Oberschwingungen am theoretischen Frequenzlimit vorgesehen ist, welches die Referenzströme des aktiven Filters (20) vermittels eines einzigen Abtast- bzw. Schaltvorganges bestimmt und einstellt und somit den Iststromwert mit nur einem Schaltvorgang an den Referenzstromwert angleicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Regelglied vorgesehen ist, das den Lastströmen einen Phasenvorschub von einer halben Abtastperiode beaufschlagt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Filtersystem die Regelgleichungen der Steuergrößenerzeugung (2) für den d- und den q-Achsenanteil durch die folgenden Relationen angegeben sind: U*fd = Ud – RfI*fd – 2fswLf(I*fd – Ifd) + ωLfI*fq U*fq = Uq – RfI*fq – 2fswLf(I*fq – Ifq) – ωLfI*fd
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Steuergrößenerzeugung (2) ein PI-Regler eingesetzt ist, der eine Verstärkung K_i von K_i = 2f_swL_f aufweist und der integrale Anteil beziehungsweise Beitrag zur Stellgröße des PI-Reglers entfernt ist und somit ein Proportionalregler mit vorgenannter Verstärkung K_i gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Regelglied vorgesehen ist, welches durch Hinzufügen eines integralen Anteils zur Stellgröße Regelungenauigkeiten kompensiert und durch die folgenden Relationen beschrieben wird:
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuergrößenerzeugung (2) eine zusätzliche Vorsteuerung mit der Übertragungsfunktion F = 2f_swL_fdI* vorgesehen ist, um bei auftretenden Verzögerungen bzw. zeitlichen Verschiebungen eine Regelung der AC-Größen in den Referenzströmen parallel zum PI-Regelglied, sowohl für die d-, die q- und die 0-Achse, zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in den Referenzpfad des jeweiligen PI-Regelgliedes der Steuergrößenerzeugung (2) eine zusätzliche Abtastverzögerung implementiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rauschunterdrückung auf der Seite der rückgeführten Lastströme ein Anti-Aliasing Filter vorgesehen ist.