DE102007041793A1

DE102007041793A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Verluste eines Energiewandlers, insbesondere eines Stromrichters oder Synchrongenerators

Info

Publication number: DE102007041793A1
Application number: DE102007041793A
Authority: DE
Inventors: Martin Braun
Original assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Institut fuer Solare Energieversorgungstechnik ISET
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: DE102007041793B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verlustleistung (PL) eines Energiewandlers beschrieben, der primärseitig eine elektrische (PDC) oder mechanische Leistung (PM) und sekundärseitig eine elektrische Leistung (PAC) übertragen und zusätzlich eine Blindleistung (Q) bereitstellen kann. Erfindungsgemäß werden für die Verlustleistung ein auf die Übertragung von Wirkleistung entfallender Verlustleistungsanteil (PLP) und ein auf die Bereitstellung von Blindleistung entfallender Verlustleistungsanteil (PLQ) getrennt bestimmt (Fig. 8).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verluste eines Energiewandlers, insbesondere eines Stromrichters oder Synchrongenerators, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12.
Energiewandler der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung interessierenden Art werden insbesondere in Verbindung mit dezentralen Energieerzeugungsanlagen wie z. B. Photovoltaik-, Kraft/Wärme-Kopplungs- und Windkraft-Anlagen sowie auch mit Speicheranlagen angewendet. Sie dienen überwiegend der Übertragung von Wirkleistung, zunehmend aber auch zur Bereitstellung bzw. Kompensation von Blindleistung (z. B. DE 199 61 705 A1 , DE 42 32 516 C2 ), beispielsweise um die Netzqualität zu verbessern.
Für eine optimale Nutzung von Blindleistung im Netzbetrieb ist es erforderlich, die durch ihre Bereitstellung entstehenden Kosten zu kennen, da die in Energiewandlern auftretenden Verluste in die Betriebskosten eingehen. Bisher werden die Gesamtverluste eines Stromrichters ermittelt, um dessen Wirkungsgrad zu bestimmen, und ergeben sich bei einem Stromrichter z. B. aus der Differenz der Gleichspannungsleistung und der in das Netz eingespeisten Wechselspannungsleistung. Für eine genaue Zuordnung der Verlustanteile, die auf die Übertragung der Wirkleistung einerseits und die Bereitstellung der Blindleistung andererseits zurückzuführen sind, sind bisher keine Verfahren und Vorrichtungen bekannt geworden, obwohl sich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen ganz unterschiedliche Verlustanteile ergeben können. Eine getrennte Zuordnung der Wirk- und Blindleistungs-Verlustanteile ist z. B. immer dann nützlich, wenn Wirk- und Blindleistungen unabhängig voneinander eingesetzt werden sollen und eine Kostenoptimierung der Betriebsführung getrennt nach Wirk- und Blindleistungs-Verlusten erwünscht ist.
Ausgehend davon besteht das technische Problem der Erfindung darin, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattungen so zu gestalten, dass mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine Trennung der im Energiewandler auftretenden Verluste in durch die Übertragung von Wirkleistung verursachte Verlustanteile und in durch die Bereitstellung von Blindleistung verursachte Verlustanteile möglich ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass erstmals eine relativ genaue Zuordnung der Verlustanteile auch bei dezentraler Bereitstellung von Blindleistung möglich ist. Dazu müssen im einfachsten Fall nur drei Größen ermittelt werden. Das sind einerseits die zu einem gewünschten Zeitpunkt t1 und während der Bereitstellung von Blindleistung erhaltenen Leistungen P_P(t1) und P_AC(t1), wobei die Leistung P_P an einem primären oder ersten Anschlusspunkt, der mit einem Gleichspannungsnetz oder einem mechanischen Antrieb für einen Synchrongenerator verbunden ist, und die Leistung P_AC an einem mit dem Wechselspannungsnetz verbundenen, sekundären oder zweiten Anschlusspunkt gemessen wird, und andererseits eine Leistung P_AC(t2, Q = 0), die zu einem anderen, zweckmäßig vor t1 liegenden Zeitpunkt t2 unter bestimmten vergleichbaren Bedingungen und insbesondere ohne gleichzeitige Bereit stellung von Blindleistung erhalten wird, wie weiter unten ausführlich erläutert ist.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine allgemeine schematische Darstellung eines mit zwei Anschlusspunkten verbundenen Energiewandlers;
2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele für den Energiewandler nach 1;
4 bis 6 schematisch verschiedene Betriebszustände des Energiewandlers nach 2;
7 schematisch eine Messeinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Anwendung eines Energiewandlers nach 2;
8 das Blockschaltbild einer Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
9 schematisch die Funktion einer Recheneinheit der Auswerteeinheit nach 8;
10 schematisch eine Messeinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Anwendung eines Energiewandlers nach 3;
11 einen Energiewandler entsprechend 2, jedoch mit einer Trennung der Eingangs- und Ausgangsleistungen in zwei Komponenten;
12 schematisch eine Messeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Anwendung des Ausführungsbeispiels nach 11; und
13 und 14 den 8 und 9 entsprechende Darstellungen einer Auswerteeinheit und einer Recheneinheit bei Anwendung der Messeinrichtung nach 12.
Da sich die Erfindung mit der Bereitstellung von Blindleistung und der dadurch entstehenden Verluste befasst, werden nachfolgend nur solche Energiewandler 1 (1) betrachtet, die außer zur Übertragung von Wirkleistung P auch zur Bereitstellung von Blindleistung Q geeignet sind. Dadurch ergibt sich allgemein die aus 1 ersichtliche Wirkungsweise. An einem ersten, primärseitigen Anschlusspunkt 2 kann nur Wirkleistung P_P übertragen werden. An einem zweiten, sekundärseitigen Anschlusspunkt 3 kann dagegen sowohl Wirkleistung P_AC übertragen (AC wird nachfolgend allgemein als Abkürzung für Wechselstrom bzw. Wechselspannung verwendet, AC = Alternating Current) als auch die Blindleistung P_Q bereitgestellt werden. Beim Betrieb des Energiewandlers 1 treten Verluste P_L auf, die zwar sämtlich durch die Übertragung von Wirkleistung gedeckt werden müssen, aber dennoch sowohl die durch Übertragung von Wirkleistung als auch durch Bereitstellung von Blindleistung entstehenden Verluste umfassen. Allgemein wird das durch die Gleichung PL = PP – PAC (1)ausgedrückt, d. h. diese Verluste ergeben sich z. B. aus der Differenz der primärseitig in den Energiewandler 1 eingespeisten Leistung P_P und der tatsächlich an das Netz übergebenen Leistung P_AC.
Da Blindleistung nur bei Wechselspannung definiert ist, kommen als Energiewandler insbesondere Stromrichter in Form von unidirektional arbeitenden Wechselrichtern oder bidirektional arbeitenden Stromrichtern infrage. Wechselrichter werden z. B. für dezentrale Energieerzeugungsanlagen wie Photovoltaik-, Windkraft- oder Brennstoffzellen-Anlagen eingesetzt und dienen der Umwandlung von Gleichspannungen und Gleichströmen in Wechselspannungen und Wechselströme. Bidirektionale Stromrichter werden dagegen z. B. in dezentralen Speicheranlagen eingesetzt, wo sie u. a. auch zur Ladung von Batterien verwendet werden können und dann zusätzlich auch der Umwandlung von Wechselspannungen und Wechselströmen in Gleichspannungen und Gleichströme dienen. Energiewandler dieser Art können außerdem z. B. als die netzseitigen Stromrichter von doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren angewendet werden, da auch bei dieser Anwendungsform die Bereitstellung von Blindleistung erwünscht ist.
Nach 2 ergibt sich für den speziellen Fall, dass der Energiewandler ein Stromrichter 4 ist, lediglich dadurch ein Unterschied zu 1, dass am ersten Anschlusspunkt 2 eine Wirkleistung P_P = P_DC in Form von Gleichspannung und Gleichstrom übertragen wird. Die Bereitstellung der Blindleistung Q_AC erfolgt im Allgemeinen dadurch, dass der Phasenwinkel φ zwischen Strom und Spannung im Stromrichter 4 eingestellt wird. Aus der Gleichung (1) wird daher PL = PDC – PAC (2)(DC wird nachfolgend allgemein zur Abkürzung von Gleichstrom bzw. Gleichspannung verwendet, DC = Direct Current).
Daneben können Energiewandler der hier interessierenden Art aber auch, wie weiter unten näher erläutert ist, in Form von Synchrongeneratoren 5 (3) vorliegen, da auch Synchrongeneratoren Wirk- und Blindleistung übertragen bzw. bereitstellen können. Ein Unterschied zu einem Stromrichter besteht lediglich darin, dass auf der Primärseite dieses Energiewandlers, d. h. am Anschlusspunkt 2, eine mechanische, durch irgendeinem mechanischen Antrieb realisierte Kopplung statt einer elektrischen Kopplung vorliegt und daher mechanische Leistung P_P = P_M statt elektrischer Leistung P_DC übertragen wird. Als Folge davon wird eine Leistungsbilanz entsprechend 3 erhalten, wobei aus der Gleichung (1) hier PL = PM – PAC (3) wird.
Im Unterschied zu einem Stromrichter kann die Blindleistung hier z. B. durch den Erregerstrom des Synchrongenerators 5 eingestellt werden.
Die Verluste P_L werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung, wie die Gleichungen (1) bis (3) zeigen, durchweg als Leistungsgrößen beschrieben. Im Falle einer einphasigen Wechselspannung ergibt sich die mittlere Wirkleistung P aus den Effektivwerten der Spannung U und dem Strom i1 mit der Grundschwingung und der Phasenverschiebung φ in der betrachteten Periode T zu P = U·i1·cosφ. Dagegen wird bei der Blindleistung, die zwischen den induktiven und kapazitiven Elementen im Netzverbund hin und her pendelt, zwischen einer Grundschwingungs-Blindleistung und einer Verzerrungs-Blindleistung unterschieden. Die Grundschwingungs-Blindleistung wird durch Q = U·i1·sinφ beschrieben. Dagegen stellt sich die Verzerrungs-Blindleistung in den Oberschwingungen dar. Sie kann z. B. mit Hilfe des Verzerrungs-Blindstroms i ermittelt werden, der sich aus Effektivwert-Komponenten für einen Gleichstromanteil io und Oberschwingungsanteilen i2, i3 ... zusammensetzt, und wird durch D = Uiv = U√io² + i2² + i3² ... beschrieben. Der Einfachheit halber werden nachfolgend die beiden Blindleistungsarten nur durch den Buchstaben Q bezeichnet.
Im Übrigen bedeutet im Rahmen der vorliegenden Anmeldung der Begriff "Leistung" stets die über eine Periode T gemittelte Leistung, die z. B. bei der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz eine Dauer von 20 ms hat. Dadurch können die Leistungsgrößen immer direkt in energetische Größen umgewandelt werden (Arbeit = Leistung·T).
Unter den Verlusten eines Energiewandlers wird entsprechend Gleichung (1) die Differenz zwischen der elektrischen Ausgangs-Wirkleistung (z. B. am Anschlusspunkt 3) und der Eingangs-Wirkleistung (z. B. am Anschlusspunkt 2) verstanden. Hinsichtlich der Vorzeichen wird vorausgesetzt, dass die in 1 bis 3 mit den durchgezoge nen Pfeilen dargestellten Flussrichtungen die positiven Werte für die verschiedenen Leistungsgrößen definieren und dass die Verlustleistung P_L stets positiv ist.
4 bis 6 zeigen schematisch verschiedene Fälle der möglichen Deckung der Verluste in einem als Stromrichter 4 ausgebildeten Energiewandler, wobei die gestrichelt dargestellten Pfeile die tatsächlichen Wirkleistungsflüsse darstellen. Falls statt Q = 0 eine Blindleistung Q ≠ 0 bereitgestellt wird, verändert dies die entstehenden Verluste P_L, die durch die Wirkleistungen ebenfalls gedeckt werden müssen. In diesem Zusammenhang ist es zur Klarstellung der jeweiligen Flussrichtung zweckmäßig, den vom Stromrichter 4 zu einem Anschlusspunkt 2, 3 fließenden Wirkleistungsfluss als "Wirkleistungseinspeisung" und den von einem Anschlusspunkt 2, 3 in den Stromrichter 4 fließenden Leistungsfluss 1 als "Wirkleistungsbezug" zu bezeichnen. Bei Blindleistung wird von "Blindleistungsbereitstellung" gesprochen.
4 stellt den Fall dar, bei dem AC-seitig Wirkleistung P_AC eingespeist (d. h. übertragen) und gleichzeitig Blindleistung Q (kapazitiv oder induktiv) bereitgestellt gestellt wird. Die entstehenden Verluste P_L werden ausschließlich durch Wirkleistung gedeckt, die von der DC-Seite bezogen wird und damit die übertragene Wirkleistung beeinflußt. Der Stromrichter 4 arbeitet hier z. B. zur PV-Stromeinspeisung oder zur Entladung einer Batterie. Daher ist P_DC > 0 und P_AC > 0.
5 zeigt den Fall, bei dem keine Wirkleistung übertragen wird, sondern DC- und AC-seitig bezogene Wirkleistung ausschließlich zur Deckung der Verluste P_L dient, die durch die Bereitschaft (Standby) oder durch die Bereitstellung von Blindleistung Q (kapazitiv oder induktiv) verursacht sind. In diesem Fall gilt P_DC ≥ 0 und P_AC ≤ 0. Es kann sich in einem speziellen Fall (P_DC = 0) z. B. um einen Stromrichter 4 handeln, der nur Blindleistung liefern soll, um beispielsweise die Spannungsqualität im Netz zu verbessern.
Schließlich ist in 6 der Fall dargestellt, dass Wirkleistung DC-seitig eingespeist, d. h. übertragen wird und gleichzeitig Blindleistung Q (kapazitiv oder induktiv) bereitgestellt wird. Verluste werden durch AC-seitig bezogene Wirkleistung gedeckt. Der Stromrichter 4 arbeitet jetzt z. B. als Gleichrichter zur Aufladung einer Batterie oder als netzseitiger Stromrichter in einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator. Demzufolge gilt P_DC < 0 und P_AC < 0.
Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass mit Hilfe der Größen P_P und P_AC stets nur die Verluste P_L eines Energiewandlers insgesamt ermittelt werden können und die Größen P_P und P_AC keine Zuordnung im Hinblick darauf ermöglichen, welcher Anteil der Verluste P_L (nachfolgend als P_LP bezeichnet) auf die Übertragung von Wirkleistung und welcher Anteil der Verluste P_L (nachfolgend als P_LQ bezeichnet) auf die Bereitstellung von Blindleistung zurückgeführt werden muss. Zu irgendeinem Zeitpunkt t1 während des Betriebs des Energiewandlers lassen sich daher lediglich allgemeine Gleichungen PL(t1) = PP(t1) – PAC(t1) (5)und PL(t1) = PLP(t1) + PLQ(t1) (6)formulieren, worin P_LP(t1) und P_LQ(t1) die durch Wirkleistungs-Übertragung und Blindleistungs-Bereitstellung verursachten Verlustleistungsanteile sind.
Um dennoch die Verlustleistungsanteile P_LP(t1) und P_LQ(t1) zu beliebigen Zeitpunkten bestimmen zu können, ohne komplizierte Messungen durchführen zu müssen, wird erfindungsgemäß ein Kunstgriff angewendet. Dieser besteht darin, dass die Leistungen P_P und P_AC beim Betrieb des Energiewandlers 1 einmal mit und einmal ohne Bereitstellung von Blindleistung gemessen und für beide Messungen vergleichbare Verhältnisse derart vorausgesetzt werden, dass bei der Berechnung ein Teil der an sich benötigten Größen wegfällt. Dadurch ist es möglich, die Verlustanteile P_LP und P_LQ relativ genau und mit vergleichsweise einfachen Mitteln zu bestimmen.
Es wird zunächst ein Ausführungsbeispiel für die Ermittlung des durch die Bereitstellung der Blindleistung Q verursachten Verlustanteils P_LQ erläutert. Für diesen Zweck wird von den obigen Gleichungen (5) und (6) ausgegangen, wonach für einen zweiten Zeitpunkt t2 gelten muss: PL(t2) = PP(t2) – PAC(t2) (7)und PL(t2) = PLQ(t2) + PLP(t2) (8).
Um einfache Messungen und Berechnungen zu ermöglichen, müssen erfindungsgemäß zwei Forderungen erfüllt werden.
Zum einen wird für den Zeitpunkt t2 gefordert, dass keine Blindleistung bereitgestellt wird, so dass Q = 0 und daher auch P_LQ(t2) = 0 gilt. Alternativ könnte auch gefordert werden, dass zum Zeitpunkt t2 keine Wirkleistung übertragen wird, und daher P_P = 0 und P_AC = 0 und daher auch P_LP(t2) = 0 gilt. Die Bedingung Q = 0 wird hier bevorzugt, weil normalerweise die Übertragung von Wirkleistung eine höhere Priorität hat. Für die weiteren Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels wird daher vorausgesetzt, dass zum Zeitpunkt t2 Verluste ermittelt werden, die anfallen, wenn nur Wirkleistung übertragen wird. Etwaige Standby-Verluste, die auch ohne Übertragung von Wirkleistung und Bereitstellung von Blindleistung entstehen würden, werden hier also den durch die Übertragung von Wirkleistung entstehenden Verlusten zugeschlagen.
Zum anderen wird gefordert, dass die Messung zu t2 unter Bedingungen erfolgt, die an einem der Anschlusspunkte 2 oder 3 mit denen zum Zeitpunkt t1 möglichst identisch übereinstimmen. Diese Forderung kann einerseits dadurch erfüllt werden, dass die Messung zum Zeitpunkt t2 mit derselben AC-seitigen Wirkleistung P_AC oder mit derselben primärseitigen Wirkleistung P_P oder je nach Situation mit einer von beiden konstant gehaltenen Leistungen durchgeführt wird. Für die weiteren Erläuterungen des Ausführungsbeispiels wird vorausgesetzt, dass die primärseitige Wirkleistung P_P zu den beiden Zeitpunkten t1 und t2 dieselbe ist, weil den Anlagenbetreiber normalerweise interessiert, wie sich die übertragene Wirkleistung am Anschlußpunkt 3 verändert.
Schließlich wird zur Herstellung vergleichbarer Verhältnisse zweckmäßig vorgesehen, dass auch andere Parameter, die für die Größe der auftretenden Verluste relevant sein können und hier als xi = x1, x2 ... xn bezeichnet werden, zu beiden Zeitpunkten t1 und t2 im Wesentlichen identisch sind. Diese Parameter xi können z. B. die Temperatur, die Feuchtigkeit, die AC-Spannung, die DC-Spannung usw. betreffen.
Aufgrund der genannten, vergleichbaren Verhältnisse ergibt sich der auf die Blindleistung entfallende Verlustleistungsanteil aus der Differenz der Verluste, die zu t1 und t2, d. h. mit und ohne Bereitstellung von Blindleistung erhalten werden, zu PLQ(t1) = PL(t1) – PL(t2, Q = 0) (9),wobei "t2, Q = 0" anzeigen soll, das zu t2 vereinbarungsgemäß keine Blindleistung bereitgestellt wird.
Werden in die Gleichung (9) für P_L jeweils die in (5) und (7) angegebenen Werte eingesetzt, dann ergibt sich PLQ(t1) = PP(t1) – PAC(t1) – [PP(t2, Q = 0) – PAC (t2, Q = 0)] (10).
Weil vereinbarungsgemäß P_P(t1) = P_P(t2, Q = 0) sein soll, erhält man aus (10) PLQ(t1) = PAC(t2, Q = 0) – PAC(t1) (11).
Damit ist für den Fall, dass P_P konstant gehalten wird, der durch die Bereitstellung von Blindleistung entstehende Verlustanteil einfach aus den AC-seitigen Wirkleistungen zu den Zeitpunkten t1 und t2 ermittelbar.
Auf entsprechend einfache Weise lässt sich der auf die Übertragung von Wirkleistung zurückzuführende Verlustanteil ermitteln. Wegen (5) und (6) gilt PP(t1) – PAC(t1) = PLP(t1) + PLQ(t1) (12).
Wird in (12) für P_LQ(t1) der aus (11) erhaltene Wert eingesetzt, dann ergibt sich PP(t1) – PAC(t1) = PLP(t1) + PAC(t2, Q = 0) – PAC(t1)oder, aufgelöst nach P_LP(t1), die Gleichung PLP(t1) = PP(t1) – PAC(t2, Q = 0) (13).
Aus (11) und (13) folgt somit, dass zur Bestimmung der Verlustanteile P_LQ und P_P nur die Größen P_P(t1), P_AC(t1) und P_AC(t2, Q = 0) benötigt werden.
Für den Fall, dass es sich beim Energiewandler 1 (1) um einen Stromrichter 4 nach 2 handelt, ist P_P = P_DC, d. h. die primärseitig übertragene, elektrische Wirkleistung. Ist der Energiewandler 1 dagegen ein Synchrongenerator 5 (3), dann ist P_P = P_M, d. h. es wäre zur Bestimmung der Verlustanteile erforderlich, die mittels eines Antriebs mechanisch eingebrachte Leistung P_M zu messen und zu berücksichtigen.
Handelt es sich schließlich z. B. um Stromrichter, die keine Wirkleistung übertragen, sondern nur Blindleistung bereitstellen soll, dann ergibt sich aus Gleichungen (11) und (13) vereinfacht PLQ(t1) = –PAC(t1) (14) und PLP(t1) = 0 (15),d. h. die durch die Blindleistungsbereitstellung verursachten Verluste sind identisch mit dem AC-seitigen Bezug von Wirkleistung.
Die Durchführung des beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt beispielsweise mit einer nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in 7 bis 9 schematisch für den Fall eines Stromrichters 4 nach 2 dargestellt ist, so dass P_P = P_DC gilt. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Vorrichtung ist eine Messeinrichtung, die ein elektrisches, an ein Gleichspannungsnetz 7 angeschlossenes Leistungsmessgerät 8 für die DC-Seite und ein elektrisches, an ein Energieversorgungsnetz 9 angeschlossenes Leistungsmessgerät 10 für die AC-Seite enthält. Das Leistungsmessgerät 8 gibt an einem Ausgang 11 die aktuellen Leistungswerte P_DC(t1) ab, während das Leistungsmessgerät 10 an einem Ausgang 12 die aktuellen Leistungswerte P_AC(t1) abgibt. Außerdem besitzt das Leistungsmessgerät 10 einen Ausgang 14 zur Abgabe eines Wertes Q(t1), der der aktuell bereitgestellten Blindleistung entspricht.
Messgeräte dieser Art sind allgemein bekannt und mit Spannungs- und Stromwandlern zur Messung der Effektivwerte der Spannung U und des Stroms i, mit standardisierten Phasenmessern zur Ermittlung des Leistungsfaktors sowie mit Mitteln zur Ermittlung der Produkte U·i usw., jeweils bezogen auf eine Periode T, versehen.
An die Ausgänge 11, 12 und 14 der die Leistungsmeßgeräte 8 und 10 enthaltenden Messeinrichtung ist gemäß 8 eine Auswerteeinheit 15 angeschlossen. Diese enthält einerseits einen mit den Ausgängen 11, 12 und 14 verbundenen Datenspeicher 16, andererseits eine Recheneinheit 17, die mit den Ausgängen 11 und 12 sowie mit einem Ausgang 18 des Datenspeichers 16 verbunden ist und zwei Ausgänge 20 und 21 aufweist, die gleichzeitig die Ausgänge der Auswerteeinheit 15 bilden. Über die Ausgänge 11 und 12 werden der Auswerteeinheit 15 die zu irgendeinem Zeitpunkt t1 erscheinenden Werte P_DC(t1) und P_AC(t1) zugeführt.
Wie 7 weiter zeigt, ist der Stromrichter 4 mit zwei Eingängen 22 und 23 versehen, mittels derer Sollwerte P* für die Wirkleistung und Q* für die Blindleistung festgelegt werden können. Im Hinblick auf die Blindleistung kann es sich sowohl um die Grundschwingungs-Blindleistung als auch um die Verzerrungs-Blindleistung oder beide handeln. Welche Art von Blindleistung im Einzelfall vorgesehen wird, ist für das beschriebene Verfahren nicht wesentlich, da die Verlustanteile für die Bereitstellung von Blindleistung stets auf beide Arten von Blindleistung bezogen sind.
Weiterhin können das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung nach 7 und 8 sowohl für einphasige als auch für dreiphasige Stromrichter 4 verwendet werden, wozu neben einer dreiphasigen Messung auch eine getrennte, den drei Phasen einzeln zugeordnete Messung und Auswertung möglich ist.
Wie 8 schließlich auch zeigt, können die oben erwähnten weiteren, zeitlich ebenfalls veränderbaren Parameter xi(t1) über einen Eingang 24 ebenfalls in den Datenspeicher 16 eingegeben werden. Abgesehen davon ist dem Datenspeicher 16 eine nicht dargestellte Mikroprozessor-Steuerung od. dgl. zugeordnet, die es in der bei derartigen Steuerungen üblichen Weise ermöglicht, die jeweils erforderlichen Größen zu vorgewählten Zeitpunkten nach den gewünschten Kriterien in den Datenspeicher 16 einzulesen und/oder aus diesem auszulesen.
Der Datenspeicher 16 ist ein wesentliches Bauelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Er ist beispielsweise nach Art einer Datenbank angelegt und ermöglicht die Speicherung von Referenzwerten, die zu den oben genannten Zeitpunkten t2 ermittelt wurden und z. B. den Werten P_AC(t2, Q = 0) entsprechen. Diese Werte könnten z. B. kurz vor oder auch kurz nach den Messungen zu Zeitpunkten t1 ermittelt werden, um dadurch sicherzustellen, dass beispielsweise beim Betrieb einer PV-Anlage zu den Zeitpunkten t1 und t2 nahezu identische Werte für P_P und xi erhalten werden.
Zusätzlich könnte über den Eingang 22, 23 zu den Zeitpunkten t2 ein Sollwert Q' = 0 vorgegeben werden.
Ungeachtet dessen wird der Datenspeicher 16 nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bereits vor der eigentlichen Inbetriebnahme des Stromrichters 4 angelegt, wobei für diesen Initialisierungsprozess vorzugsweise ebenfalls die Vorrichtung nach 7 und 8 verwendet wird. Dafür wird der Stromrichter 4 z. B. in zahlreichen unterschiedlichen Testzuständen betrieben, die durch Einstellung von Sollwerten herstellbar sind, und die erhaltenen Ergebnisse werden in den Datenspeicher 16 eingelesen. Diese Eingaben erfolgen sämtlich für einen Betrieb ohne Blindleistungs-Bereitstellung möglichst unter Berücksichtigung zahlreicher relevanter, tatsächlich vorhandener oder simulierter Parameter xi(t). Nach Beendigung der Initialisierungsphase enthält der Datenspeicher 16 daher zahlreiche Referenzwerte, im beschriebenen Fall z. B. P_AC(t2, Q = 0) in Abhängigkeit von verschiedenen DC-Wirkleistungen und verschiedenen Parameter xi, wobei der Zeitpunkt t2 keinen bestimmten Zeitpunkt, sondern vielmehr einen bestimmten Referenzwert definiert, der zu irgendeinem, hier pauschal mit t2 bezeichneten und von t1 abweichenden Zeitpunkt ermittelt wurde.
Die auf diese Weise ermittelten und im Datenspeicher 16 abgelegten Werte können am Ausgang 18 (8) des Datenspeichers 16 ausgelesen, der Recheneinheit 17 zugeführt und in der oben beschriebenen Weise zur Ermittlung der Werte P_LP und P_LQverwendet werden. Dies erfolgt z. B. dadurch, dass mit Hilfe der Eingangswerte P_DC(t1) und xi(t1) entsprechende, im Datenspeicher 16 abgelegte Werte von P_AC(t2, Q = 0) aufgesucht und am Eingang 18 ausgegeben werden. Bei diesen Werten P_AC(t2, Q = 0) handelt es sich somit um Referenzwerte, die mit denselben oder wenigstens sehr ähnlichen Werten für P_DC und xi, jedoch mit dem Unterschied ermittelt wurden, daß die Werte P_AC(t1) mit Bereitstellung von Blindleistung (Q ≠ 0) und die Werte P_AC(t2) ohne Bereitstellung von Blindleistung (Q = 0) erhalten wurden.
In der Recheneinheit 17 wird anhand der verschiedenen Eingangsgrößen eine Berechnung entsprechend der Gleichungen (11) für P_LQ und (13) für P_LP durchgeführt, wobei in diesen Gleichungen P_P = P_DC gilt, da im Ausführungsbeispiel der Energiewandler 1 ein Stromrichter 4 gemäß 2 ist.
9 zeigt schematisch die in der Recheneinheit 17 vorgenommenen Berechnungen. Es werden lediglich zwei Subtraktionen durchgeführt, was schematisch durch Subtraktion-Glieder 26 und 27 angedeutet ist. Im Subtraktion-Glied 26 wird entsprechend der Gleichung (11) die Differenz aus P_AC(t2, Q = 0) und P_AC(t1) gebildet, was am Ausgang 20 zum Verlustleistungsanteil P_LQ(t1) führt, während im Subtraktions-Glied 27 entsprechend der Gleichung (13) die Differenz aus P_P(t1) [bzw. hier P_DC(t1)] und P_AC(t2, Q = 0) gebildet wird, was am Ausgang 21 zum Verlustleistungsanteil P_LP(t1) führt. Aus diesen Größen kann dann z. B. unmittelbar berechnet werden, welche Kosten durch die Bereitstellung bestimmter Blind- und Wirkleistungen entstehen.
Handelt es sich in 7 bis 9 um einen Energiewandler 1 in Form eines Synchrongenerators 5 (3), dann wird im Prinzip genauso vorgegangen. Das ist schematisch in 10 gezeigt, wobei primärseitig an einem Ausgang 28 eines mechanischen Leistungsmessgeräts 29, das an einen schematisch angedeuteten Antrieb 30 für den Synchrongenerator 5 angeschlossen ist, die Leistung P_M(t1) an die Stelle von P_DC(t1) tritt (d. h. es gilt P_P = P_M), während AC-seitig keine Unterschiede erhalten werden. Das Berechnungsverfahren kann daher analog zu 9 mit den Werten P_M(t1) anstelle von P_DC(t1) durchgeführt werden.
Aus 7 bis 10 ergibt sich, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren in mehrere Schritte unterteilen lässt. In einem ersten Schritt werden die Größen P_P(t1), P_AC(t1) und xi(t1) ermittelt. In einem zweiten Schritt wird der Referenzwert P_AC(t2, Q = 0) aufgesucht, der bei gleichen oder annähernd gleichen Werten von P_P(t2) = P_P(t1) und xi(t2) = xi(t1), jedoch ohne Bereitstellung von Blindleistung gemessen und z. B. im Datenspeicher 16 abgelegt wurde. In einem dritten Schritt schließlich erfolgt die Zuordnung der Verluste zu den Werten P_LQ(t1) und P_LP(t1) entsprechend den Gleichungen (11) und (13).
Schließlich zeigt 8 noch, dass an einem weiteren Ausgang P_L(t1) der Auswerteeinheit 15 die nach der Formel (1), (2) oder (3) ermittelte Gesamt-Verlustleistung abgenommen werden kann.
In der obigen Beschreibung sind die Verlustanteile P_LP und P_LQ eines Energiewandlers allgemein beschrieben, wobei alle den Eigenbedarf des Energiewandlers deckende Verluste vorzugsweise zu den durch die Übertragung von Wirkleistung entstehenden Verlusten hinzugerechnet wurden.
Es kann jedoch Fälle geben, in denen es erwünscht oder zweckmäßig ist, den Eigenbedarf an Energie zumindest teilweise über eine separate Leitung zu decken, insbesondere wenn dadurch ein günstigerer Tarif erreichbar ist. Das gilt vor allem dann, wenn ein Energiewandler einen erhöhten Eigenbedarf an Energie hat, beispielsweise um einen zu seiner Kühlung bestimmten Lüfter anzutreiben, Steuer-, Regel-, Mess-, Speicher- und Recheneinheiten zu speisen und/oder andere Geräte wie z. B. Displays mit Strom zu versorgen. Dieser zusätzliche Energiebedarf kann z. B. über weitere Anschlusspunkte an der Primär- oder Sekundärseite oder über eine separate Stromquelle bezogen werden. Das gilt insbesondere dann, wenn die Leistungen durch Anwendung von separaten Messgeräten und verschiedenen Tarifen unterschiedlich bewertet werden.
Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in der weitgehend der 2 entsprechenden 11 anhand des Stromrichters 4 gezeigt. Zu den beiden Anschlusspunkten 2, 3 kommen hier zwei weitere Anschlusspunkte 31 und 32 hinzu, die zwar letztendlich ebenfalls mit den Anschlusspunkten 2 und 3 gekoppelt sind, aber Verzweigungen 33 und 34 ermöglichen. Die Verzweigung 33 ermöglicht z. B. die Trennung der hier mit P'_DC bezeichneten Leistung, die zur Deckung der zur Übertragung von Wirkleistung und Bereitstellung von Blindleistung benötigten Verluste dient, von einem Leistungs anteil P_DCB', der für den zusätzlichen Eigenbedarf benötigt und ebenfalls von der Primärseite bezogen wird, wobei die Leistungen P'_DC und P_DCB, wie schematisch durch Pfeile angedeutet ist, unterschiedlichen Eingängen des Stromrichters 4 zugeführt werden. Entsprechend dient die Verzweigung 34 auf der gegenüber 1 vereinfacht dargestellten AC-Seite dem Zweck, die AC-seitigen, für die Übertragung von Wirkleistung und die Bereitstellung von Blindleistung bestimmte, hier mit P'_AC bezeichnete Leistung von einem den (zusätzlichen) Eigenbedarf deckenden Betriebsleistungsanteil P_ACB zu trennen. Alternativ könnte die insgesamt erforderliche, zusätzliche Betriebsleistung P_LB zwar auch über eine Leitung 35 mit einer separaten Stromquelle gedeckt werden. Das ist jedoch unüblich und wird daher hier vernachlässigt, weshalb PLB = PDCB + PACB (16)gilt mit P_DCB ≥ 0, P_ACB ≥ 0 und damit P_LB ≥ 0.
Beim Ausführungsbeispiel nach 11 setzt sich somit die Gesamtverlustleistung P_L des Stromrichters 4 aus einer durch die Übertragung von Wirkleistung und Bereitstellung von Blindleistung verursachten Komponente P'_L und einer Komponente P_LB zusammen, die aus dem zusätzlichen Eigenbedarf resultiert. Es gilt daher PL = P'L + PLB (17).
Außerdem folgt aus 11, dass die zur Deckung der Verluste P_L und zur Übertragung von Wirkleistung sowie zur Bereitstellung von Blindleistung bestimmten, primär- bzw. sekundärseitig bezogenen oder eingespeisten Gesamtleistungen den Gleichungen PDC = P'DC + PDCB (18)und PAC = P'AC – PACB (19)genügen. Die Gesamtwerte P_DC, P_AC und P_L entsprechen denen, die oben für den Fall der gemeinsamen Betrachtung aller Verluste angegeben wurden, so dass für sie die Gleichungen (1) bis (15) gültig sind. Ist eine Trennung erwünscht, dann gelten die Gleichungen (16) bis (19) mit der Folge, dass sich aus (17) unter entsprechender Anwendung von (1) für die Gesamtverlustleistung PL = P'L + PLB = P'DC – P'AC + PDCB + PACB (20)ergibt. Für eine allgemeine Formulierung wären wie oben die Werte P'_DC, P_DCB usw. durch die Werte P'_P, P_PB usw. zu ersetzen.
Weiterhin ist in 11 angedeutet, dass eine Blindleistung Q', die tatsächlich vom Stromrichter 4 bereitgestellt werden kann, um einen Anteil Q_B reduziert wird, der zur Deckung der für den Eigenbedarf benötigten Blindleistung benötigt wird, so dass Q = Q' – Q_B gilt, wobei Q' die vom Stromrichter 4 bereitgestellte Blindleistung und Q die dem Netz 9 effektiv bereitgestellte Blindleistung ist. Abweichend von dem beschriebenen Verfahren kann bei getrennter Betrachtung als Referenz statt Q = 0 der Wert Q' = 0 verwendet werden.
Schließlich zeigt 11, dass die bereits anhand der 1 beschriebenen Größen P_DC bzw. P_p, P_AC und P_L allgemein gültig sind und den Fall betreffen, dass eine gemeinsame Bilanzierung aller Verluste gewünscht wird, während bei einer getrennten Bilanzierung zum einen die Komponenten P'_DC (bzw. P'_p), P'_AC und P'_L und zum anderen die dem zusätzlichen bzw. separat betrachteten Eigenbedarf zugeordneten Komponenten P_DCB (bzw. P_B), P_ACB und P_LB zu berücksichtigen sind. Das gilt unabhängig davon, ob im Einzelfall ein Stromrichter 4 nach 2 oder ein Synchrongenerator 5 nach 3 vorhanden ist.
Eine Zuordnung der Verluste P_LB, die durch den separat betrachteten Eigenbedarf entstehen, zu den Verlustleistungsanteilen P_LQ(t) und P_LP(t) ist unter den oben angegebenen Voraussetzungen in analoger Weise durchführbar. Werden z. B. die primärseitigen Leistungen P_P(t) und für die Verluste relevante Parameter xi(t) zu Zeitpunkten t1 und t2 als konstant angesehen, dann ergibt sich der Verlustleistungsanteil P_LQ analog zu (11) unter Anwendung von (19) und der Größe Q' anstelle von Q durch die Gleichung PLQ(t1) = [P'AC(t2, Q' = 0) – PACB(t2, Q' = 0)] – [P'AC(t1) – PACB(t1)] (21),ferner der Verlustanteil P_LP analog zu (13) durch PLP(t1) = PP(t1) – [P'AC(t2, Q' = 0) – PACB(t2, Q' = 0)] (22)und schließlich der Gesamtverlust durch PL = PL' + PLB = PLQ(t1) + PLP(t1) = PP(t1) – P'AC(t1) + PACB(t1) (23).
Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, die Verlustanteile P_LQ(t1) und P_LP(t1) gemäß (21) und (22) aus den Werten P_P(t1), P'_AC(t1), P'_AC(t2, Q' = 0), P_ACB(t1) und P_ACB(t2, Q' = 0), d. h. aus Werten zu bestimmen, die wie im zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel messtechnisch leicht erfassbar sind. Das ist schematisch in 12 gezeigt.
12 zeigt eine Messeinrichtung, die der Messeinrichtung nach 7 bis auf den Unterschied entspricht, dass sie ein zusätzliches elektrisches Leistungsmessgerät 36 mit Ausgängen 37 und 38 aufweist, an denen die Werte P_ACB(t1) und Q_B(t1) ausgegeben werden, und dass ein Leistungsmessgerät 40 zwischen den Stromrichter 4 und den Anschlusspunkt 34 geschaltet ist, um an Ausgängen 41, 42 die Werte P'_AC(t1) und Q'(t1) auszugeben. Da, wie oben erläutert, die primärseitige Leistung konstant gehalten wird, ist eine getrennte Erfassung von P'_P und P_PB nicht nötig. Deshalb bleibt die Leistungsmessung (8, 11) hier unverändert.
Die bereits oben anhand der 8 beschriebene, erfindungsgemäße Vorrichtung wird dementsprechend ergänzt, wie 13 am Beispiel eines Stromrichters 4 und einer Auswerteeinheit 43 zeigt, so dass eine Recheneinheit 44 insgesamt fünf Eingänge hat, von denen einer mit einem dem Ausgang 18 in 8 entsprechenden Ausgang 45 und ein anderer mit einem Ausgang 46 eines Datenspeichers 47 verbunden ist. Am Ausgang 45 erscheinen die Werte P'_AC(t2, Q' = 0), während am Ausgang 46 die Werte P_ACB(t2, Q' = 0) abgegeben werden.
Die in der Recheneinheit 44 durchgeführten Berechnungen ergeben sich aus 14. Daraus ist ersichtlich, dass die Werte P_LQ(t1) und P_LP(t1) mit Hilfe von Subtraktions-Gliedern 48 bis 52 bestimmt werden können, die die Gleichungen (21) und (22) realisieren, und an Ausgängen 53, 54 der Recheneinheit 44 angegeben werden. Die in 14 angegebenen Werte ΔP'_AC(t1) und ΔP_ACB(t1) haben dabei die Bedeutungen ΔP'AC(t1) = P'AC(t2, Q = 0) – P'AC(t1)für den einen Teil der Verlsute sowie ΔPACB(t1) = PACB(t2, Q' = 0) – PACB(t1)für den anderen, insbesondere z. B. durch erhöhten oder zusätzlichen Eigenbedarf verursachten Teil der Verluste.
Außer zur Bestimmung der Größen P_LP(t1) und P_LQ(t1) können die mit der Messeinrichtung nach 12 getrennt erhaltenen Werte in beliebiger Weise für andere Zwecke verwendet werden. Außerdem kann die getrennte Bilanzierung mit Q = Q' – Q_B in die gemeinsame Bilanzierung nach Gleichung (19) überführt werden.
Bei Anwendung eines Synchrongenerators 5 anstelle eines Stromrichters 4 wird entsprechend vorgegangen. Da sich hinsichtlich des mechanischen Leistungsmessgeräts 29 kein Unterschied zu 10 ergibt und die elektrische Leistungsmessgeräte 36 und 40 gemäß 12 entsprechend auch in 10 angewendet werden können, sind weitere Erläuterungen für den Fachmann nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße, aus 13 und 14 ersichtliche Verfahren kann wie das anhand der 7 und 9 beschriebene Verfahren in drei Schritten durchgeführt werden. In einem ersten Schritt werden die Leistungswerte P_DC(t1), P'_AC(t1), P_ACB(t1), Q'(t1), Q_B(t1) und xi(t1) ermittelt. Im zweiten Schritt folgt das Aufsuchen der zugehörigen Referenzwerte P'_AC(t2, Q = 0) und P_ACB(t2, Q = 0) im Datenspeicher 47 Im dritten Schritt schließlich erfolgt die Berechnung der Werte P_LQ(t1) und P_LP(t1) anhand der Gleichungen (21) und (22).
Wie in 8 kann auch in 13 an einem weiteren Ausgang der Auswerteeinheit 43 die Gesamtverlustleistung P_L(t1) nach Gleichung (23) abgenommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann schließlich insbesondere in zwei Varianten durchgeführt werden. In einer ersten Variante werden unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen, in die jeweilige Anlage integrierten Vorrichtung während des Betriebs des Energiewandlers laufend dessen der Wirkleistungsübertragung und der Blindleistungsbereitstellung zugeordnete Verluste P_LP und P_LQ ermittelt, wobei auf einige zu vorhergehenden Zeitpunkten ermittelte und in den Datenspeicher 16 eingegebene Referenzwerte zugegriffen wird, die bei vergleichbaren Verhältnissen, jedoch ohne Bereitstellung von Blindleistung ermittelt wurden. Während des Betriebs werden diese Werte laufend aktualisiert und durch Berücksichtigung der sich ändernden Parameter xi(t) präzisiert. Durch diese ständige Aktualisierung kann beispielsweise dem Alterungseinfluss Rechnung getragen werden.
Dagegen sieht die zweite Variante vor, vor der Inbetriebnahme des Energiewandlers, jedoch mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung und des beschriebenen Verfahrens, eine einmalige Referenzmessung vorzunehmen und hierbei ein Kennlinienfeld aus P_P, P_AC, P'_AC und P_ACB, Q bzw. Q' und Q_B sowie xi zu erstellen, das für eine Vielzahl von Betriebszuständen geeignet ist. In dieses Kennlinienfeld werden die Verluste P_LP der Wirkleistungsübertragung und P_LQ der Blindleistungsbereitstellung eingetragen und ohne weitere Änderungen beim Betrieb des Energiewandlers verwendet. Wegen unvermeidlicher und nicht sicher vorhersehbarer Schwankungen der Verluste, z. B. aufgrund von Temperaturabhängigkeiten, Alterungseinflüssen od. dgl., ist diese Variante zwar nicht so exakt wie die zuerst beschriebene Variante, doch ermöglicht sie eine gute Annäherung mit dem besonderen Vorteil, dass während des Betriebs durch geringen Aufwand auf der Basis der Messungen von P_P(t1), Q(t1) bzw. Q'(t1) und, falls erforderlich, von xi(t1) sowie von P_AC' P'_AC und P_ACB direkt die entsprechenden Werte P_LP und P_LQ usw. aus dem Kennlinienfeld ausgegeben werden können. Die beschriebene Vorrichtung wird in diesem Fall nur als externes Maßsystem verwendet.
Abgesehen davon sind natürlich beliebige Kombinationen und Abweichungen von den beiden beispielhaft angegebenen Varianten möglich. Außerdem kann das beschriebene Verfahren hard- oder softwaremäßig implementiert werden.
Die bisherigen Ausführungsbeispiele beruhen auf der Forderung, daß für die Referenzwerte dieselben Leistungswerte P_P wie für die zum Zeitpunkt t1 durchgeführten Messungen dienen. Wird stattdessen gefordert, daß die Leistungswerte P_AC gleich groß sein sollen, dann wird aus der Gleichung (11) die Gleichung PLQ(t1) = PP(t1) – PP(t2, Q = 0) (24)und aus der Gleichung (13) wird PLP(t1) = PP(t2, Q = 0) – PAC(t1) (25).
Wird schließlich als alternativer Berechnungsansatz angenommen, daß zum Zeitpunkt t2 nicht Q = 0, sondern P_AC = 0 gelten soll, d. h. die Verluste zunächst der Blindleistung zugerechnet und erst danach zusätzliche Verluste durch Wirkleistung ermittelt werden, dann würde die Gleichung (11) für P_LP(t1) statt für P_LQ(t1) und entsprechend die Gleichung (13) für P_LQ(t1) statt für P_LP(t1) gelten.
In den genannten Fällen wären die aus 7 bis 14 ersichtlichen Messwerte und Berechnungen an die dann jeweils gültigen Formeln anzupassen. Weitere Erläuterungen erscheinen wegen der sonst gleichen Methodik entbehrlich.
In den bisherigen Ausführungen wurden als Referenz zum Vergleichszeitpunkt t2 immer Werte verwendet, die in einem Betriebszustand des Energiewandlers gemessen werden, bei dem keine Blindleistung (Q = 0) bereitgestellt wird. Dies ist der zunächst nahe liegende Fall. Dieser spezielle Fall kann jedoch auch verallgemeinert werden, da zum Vergleichszeitpunkt nicht notwendigerweise Q = 0 gelten muß. Vielmehr könnte Q = Q_O gelten, worin Q_O irgendeinen bekannten bzw. vorgegebenen, von Null abweichenden Wert hat. Es wird dann nicht der Verlustleistungsanteil P_LQ berechnet, der zum Zeitpunkt t1 die Differenz zu einem Vergleichszustand mit Q = 0 anzeigt, sondern der die Veränderung anzeigt, die sich ergibt, wenn im Messzeitpunkt t1 eine Blindleistung Q(t1) bereitgestellt wird, die sich von der zum Vergleichszeitpunkt t2 bereitgestellten Blindleistung Q_O durch deren Differenz ΔQ unterscheidet, wobei Q_O(t2) ≠ 0, aber auch wie in den obigen Beispielen Q_O(t2) = 0 gelten kann. Rechnerisch ändern sich die oben angegebenen Gleichungen (11) und (13) dadurch wie folgt: PLQ(t1) = PAC(t2, Q = QO) – PAC(t1) (26)und PLP(t1) = PP(t1) – PAC(t2, Q = QO) (27).
Die Ausdrücke P_LQ und P_LP haben hier somit eine allgemeinere Bedeutung. Insbesondere ist PLP(t2) = PP(t2) – PAC(t2) = PL(t2) (28), d. h. P_LP gibt im Vergleichszeitpunkt t2 die gesamten Verluste P_L(t2) des Energiewandlers einschließlich derer für die Bereitstellung der Blindleistung Q = Q_O(t2) an. Die Blindleistung Q = Q_O kann z. B. eine Verzerrungs-Blindleistung zur Kompensation von Oberschwingungen sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich entsprechend vom speziellen Fall Q = 0 auf den allgemeinen Fall Q = Q_O zum Vergleichszeitpunkt t2 verallgemeinern. Auf eine entsprechende Ausführung wird hier verzichtet, da sie aufgrund der gleichen Methodik als entbehrlich erscheint.
In analoger Weise gilt diese Verallgemeinerung auch für das weitere Ausführungsbeispiel, in welchem statt der Blindleistung Q (nach 7 und 10) die Blindleistung Q' (nach 12) verwendet wird. Auch dafür kann zur Verallgemeinerung die Blindleistung Q' zum Vergleichszeitpunkt t2 statt im speziellen Fall Q' = 0 im allgemeinen Fall Q' = Q_O' betragen. Die zugehörigen Gleichungen (21) und (22) verallgemeinern sich damit zu PLQ(t1) = [P'AC(t2, Q' = QO') – PACB(t2, Q' = QO')] – [P'AC(t1) – PACB(t1)] (29)und PLP(t1) = PP(t1) – [P'AC(t2), Q' = QO') – PACB(t2, Q' = Q'O)] (30).
Im Übrigen lassen sich die oben anhand der 1 bis 14 beschriebenen Grundsätze und Gleichungen in analoger Weise auch für den allgemeinen Fall mit Q' = Q'_O(t2) ≠ 0 anwenden, so dass weiter gehende Erläuterungen für den Fachmann entbehrlich sind.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Das gilt insbesondere für die zur Erfassung der verschiedenen Leistungswerte verwendeten Mittel und Art ihrer Eingabe in einen Datenspeicher, wobei der Datenspeicher natürlich noch weitere, jedoch im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht relevante Größen enthalten kann. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, wie z. B. 8 und 13 zeigen, auch beim Betrieb ermittelte Blindleistungen Q(t1) und Q'(t1) in den Datenspeicher 16, 47 einzugeben, insbesondere wenn der Datenspeiche 16, 47 laufend mit zusätzlichen Daten versehen und/oder vorhandene Daten aktualisiert werden sollen. Weiterhin ist klar, dass die Häufigkeit und die Vielfalt der in den Datenspeicher 16, 47 eingegebenen Werte schwanken und vom Einzelfall abhängig gemacht werden kann, wobei insbesondere auch der zur Verfügung stehende Speicherplatz zu berücksichtigen ist. Das schließt normalerweise eine kontinuierliche Messung aus. Stattdessen erfolgt sowohl die Speicherung der ermittelten Werte als auch die Bestimmung der aktuellen Werte von P_LP und P_LQ vorzugsweise nur in vorgewählten zeitlichen Abständen und Auflösungen. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19961705 A1 [0002]
- DE 4232516 C2 [0002]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Verluste (P_L) eines Energiewandlers (1), der an einem ersten Anschlusspunkt (2) mit einem Gleichspannungsnetz (7) für einen Stromrichter (4) oder einem mechanischen Antrieb (30) für einen Synchrongenerator (5) verbunden ist und elektrische oder mechanische Leistung (P_P) überträgt und an einem zweiten Anschlusspunkt (3) mit einem elektrischen AC-Energieversorgungsnetz (9) verbunden ist und sowohl Wirkleistung (P_AC) überträgt als auch Blindleistung (Q) bereitstellt, wobei die an den beiden Anschlusspunkten (2, 3) übertragenen Wirkleistungen (P_P, P_AC) ermittelt und daraus die Verluste (P_L = P_P – P_AC) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verluste (P_L) in einem auf die Übertragung von Wirkleistung entfallenden Anteil (P_LP) und einen auf die Bereitstellung von Blindleistung entfallenden Anteil (P_LQ) aufgeteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkleistungen (P_P, P_AC) zur Bildung von Referenzwerten wenigstens einmal zu einem Zeitpunkt (t2, Q = Q_O) unter Bereitstellung von Blindleistung mit einem bekannten Wert (Q_O) ermittelt werden und dass mit Hilfe der so erhaltenen Referenzwerte die auf die Übertragung von Wirkleistung entfallenden Verlustleistungsanteile (P_LP) und die auf die Bereitstellung von Blindleistung entfallenden Verlustleistungsanteile (P_LQ), die sich bei gleichzeitiger Übertragung von Wirkleistung (P_P, P_AC) und Bereitstellung von Blindleistung (Q) zu einem Zeitpunkt t1 ergeben, getrennt voneinander bestimmt werden, indem zum Zeitpunkt t1 an den Anschlusspunkten (2, 3) ermittelte Wirkleistungen [P_P(t1), P_AC(t1)] mit solchen Referenzwerten [P_P(t2, Q = Q_O), P_AC(t2, Q = Q_O)] verglichen werden, die bei gleicher oder ähnlicher Wirkleistungsübertragung oder Blindleistungsbereitstellung zu einem Zeitpunkt t2 an einem der beiden Anschlusspunkte (2, 3) erhalten wurden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der zum Zeitpunkt t1 erhaltenen Leistungen (P_P und P_AC) mit Referenzwerten erfolgt, die zum Zeitpunkt (t2, Q = Q_O) denselben oder einen ähnlichen Wert (P_P) am ersten Anschlusspunkt (2) haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Verlustleistungsanteile (P_LP) und (P_LQ) nach den Gleichungen PLQ(t1) = PAC(t2, Q = QO) – PAC(t1)und PLP(t1) = PP(t1) – PAC(t2, Q = QO)erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der zu den Zeitpunkten (t1) ermittelten Wirkleistungen (P_P), (P_AC) mit solchen Referenzwerten [P_P(t2, Q = Q_O), P_AC(t2, Q = Q_O)] erfolgt, die auch hinsichtlich vorgewählter, für die Verlustleistung relevanter Parameter [xi(t2)] mit den zum Zeitpunkt (t1) vorliegenden entsprechenden Parametern [xi(t1)] übereinstimmen oder diesen ausreichend ähnlich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zeitpunkt t2 keine Blindleistung bereitgestellt wird und Q_O = 0 gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte in einem Datenspeicher (16) abgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der auf die Bereitstellung von Blindleistung (Q) entfallenden Verlustleistungsanteile (P_LQ) auf eine Grundschwingungs-Blindleistung und/oder eine Ver zerrungs-Blindleistung bezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Verlustleistungsanteile P_LP als auch die Verlustleistungsanteile P_LQ in je zwei Komponenten (P'_P, P'_AC) und P_PB, P_ACB) unterteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Verlustleistungsanteile nach den Gleichungen PLQ = [P'AC(t2, Q = QO) – PACB(t2 Q = QO)] – [P'AC(t1) – PACB(t1)]und PLP(t1) = PP(t1) – [P'AC(t2, Q = QO) – PACB(t2, Q = QO)]erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiewandler (1) ein einphasiger oder dreiphasiger Stromrichter (4) oder Synchrongenerator (5) verwendet wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Verlustleistung (P_L) eines Energiewandlers (1, 4, 5), der einen ersten Anschlusspunkt (2), der zum Anschluss an ein Gleichspannungsnetz (7) für einen Stromrichter (4) oder einen mechanischen Antrieb (30) für einen Synchrongenerator (5) und zur Übertragung von elektrischer oder mechanischer Leistung (P_P) dient, und einen zweiten Anschlusspunkt (3) aufweist, der zum Anschluss an ein elektrisches AC-Energieversorgungsnetz (9) und zur Übertragung von Wirkleistung (P_AC) und Bereitstellung von Blindleistung (Q) dient, enthaltend eine Messeinrichtung (8, 10, 29, 36, 40) zur Ermittlung zumindest der an den beiden Anschlusspunkten (2, 3) übertragenen Wirkleistungen (P_P, P_AC) und eine mit der Messeinrichtung (8, 10, 29, 36, 40) verbundene Auswerteeinheit (15, 43) zur Bestim mung von Verlustleistungen des Energiewandlers (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15, 43) zur Bestimmung eines auf die Übertragung von Wirkleistung (P_P, P_AC) entfallenden Verlustleistungsanteils (P_LP) und eines auf die Bereitstellung von Blindleistung (P_Q) entfallenden Verlustleistungsanteils (P_LQ) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15, 43) einen mit der Messeinrichtung (8, 10, 29, 36,40) verbundenen Datenspeicher (16, 47) zur Speicherung von Referenzwerten, die zu Zeitpunkten (t2, Q = Q_O) unter Bereitstellung von Blindleistung (Q) mit einem bekannten Wert (Q_O) ermittelt wurden, und eine mit der Messeinrichtung (8, 10, 29, 36, 40) und dem Datenspeicher (16, 47) verbundene Recheneinheit (17, 44) zur Bestimmung der Verlustleistungsanteile (P_LP, P_LQ) aus einem Vergleich von zu einem Zeitpunkt (t1) während der Bereitstellung von Blindleistung (Q) übertragenen Wirkleistungen (P_P, P_AC) mit ausgewählten, in der Speichereinheit (16, 47) abgelegten Referenzwerten enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (17, 47) zur Bestimmung der Verlustanteile (P_LP, P_LQ) nach den Gleichungen PLQ(t1) = PAC(t2, Q = QO) – PAC(t1)und PLP(t1) = PP(t1) – PAC(t2, Q = QO)eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Trennung der Verlustanteile (P_LP, P_LQ) in je eine auf die Übertragung von Wirkleistung (P_P', P_AC) und die Bereitstellung von Blindleistung (P_Q) entfallende Komponente (P'_P' P'_AC) und eine zumindest auf einen Teil des Eigenbedarfs des Energiewandlers (1) zurückzu führende Komponente (P_PB' P_ACB) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (44) zur Bestimmung der Verlustleistungsanteile (P_LP, P_LQ) nach den Gleichungen PLQ = [P'AC(t2, Q = QO) – PACB(t2, Q = QO)] – [P'AC(t1) – PACB(t1)]und PLP(t1) = PP(t1) – [P'AC(t2, Q = QO) – PACB(t2, Q = QO)]eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (10, 40) mit Mitteln zur Bestimmung von Grundschwingungs- und/oder Verzerrungsblindleistung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Referenzwerte zum Zeitpunkt t2 ohne Bereitstellung von Blindleistung, d. h. mit Q_O = 0 erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Mitteln zur Bestimmung weiterer, für die Verlustleistung (P_L) relevanter Parameter [xi(t)] versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit dem Energiewandler (1) verbundene Baueinheit bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein externes Messsystem bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Anschluss an einen Energiewandler in Form eines einphasigen oder zweiphasigen Stromrichters (4) oder Synchrongenerators (5) eingerichtet ist.