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Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren einer Stromrichterparallelschaltung mit einer Anzahl parallel geschalteter Leistungsteile, sodass die Schaltung zumindest zwei parallel zwischen einen Wechselstrom- bzw. Drehstromanschluss und einen Gleichstromanschluss geschaltete Halbleiterventile bzw. Halbleiterventilpaare umfasst, wobei mittels einer Regelung ein gemeinsamer Zündwinkel vorgegeben wird. Zudem betrifft die Erfindung eine Stromrichterparallelschaltung zur Durchführung des Verfahrens.
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Durch ständig steigenden Leistungsbedarf ist es erforderlich, Stromrichtergeräte oder auch nur einzelne elektrische Halbleiterventile parallel zu schalten. Ein benötigter Gesamtstrom teilt sich dabei auf die einzelnen Geräte bzw. Halbleiterventile auf. Als Halbleiterventile kommen beispielsweise Thyristoren, IGBTs oder GTOs zum Einsatz. Die Halbleiterbauelemente können eine positive aber auch eine negative Temperaturcharakteristik aufweisen.
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Beispielsweise werden in Erregerkreisen von Kraftwerksgeneratoren Stromstärken benötigt, für welche derzeit keine oder nur besonders teure Halbleiterventile ausgelegt sind.
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Die Stromaufteilung parallel geschalteter Zweige hängt in erster Linie von den Halbleiterparametern, den thermischen Verhältnissen sowie parasitären Einflüssen wie den Streuinduktivitäten einer Anlage ab. Die Aufteilung unterliegt dabei einer großen Streuung, wobei die Einflussparameter während einer Anlagenprojektierung zumeist nicht bekannt sind. Bei der Auslegung von Stromrichterparallelschaltungen muss daher von ungünstigen Konstellationen in Bezug auf Streuinduktivitäten in den Kommutierungspfaden, Kühlbedingungen sowie den statischen und dynamischen Durchlasseigenschaften der Halbleiterventile ausgegangen werden.
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Eine unsymmetrische Strombelastung der einzelnen Geräte bzw. parallel geschalteten Zweige führt dazu, dass bei der Auslegung eines Betriebspunktes für Stromrichterparallelschaltungen eine Stromabminderung in der Höhe von 20% bis 30% in Kauf genommen werden muss. Bei mehr als drei parallel geschalteten Zweigen kann eine noch höhere Stromabminderung erforderlich sein, um auch bei ungünstigen Konstellationen sicher zu gehen, dass kein Zweig oder Gerät des Parallelverbunds überlastet wird.
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Zudem kommt es durch die negative Temperaturcharakteristik der Durchlassspannung bei Thyristoren (sinkende Durchlassspannung bei steigender Temperatur) im Betrieb zu einem zunehmend instabilen Verhalten. Resultat ist ein „thermisches Davonlaufen“ des Stromes durch ein Gerät bzw. durch einen Zweig.
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Nach dem Stand der Technik kennt man verschiedene Maßnahmen, um die Schwierigkeiten einer Stromrichterparallelschaltung in den Griff zu bekommen. Durch verschiedene Stromsymmetrierungsmaßnahmen kann die Stromabminderung auf ca. 5% verkleinert werden.
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Beispielsweise kennt man aus der
AT 509 828 A1 ein Symmetrierungsverfahren, bei dem über eine vorgegebene Zeitdauer hinweg für jedes Halbleiterventil der hindurchfließende Teilstrom erfasst wird. Die Ergebnisse werden einer Symmetrieregelung zugeführt, wobei für jeden der erfassten Teilströme eine Mittelwertbildung erfolgt. Aus den resultierenden Mittelwerten, einem Iststrom und einem gemeinsamen Zündwinkel ergibt sich für jedes Halbleiterventil eine jeweilige Zündwinkelkorrektur, wodurch die Belastungen der Halbleiterventile einander angenähert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und eine entsprechende Schaltung weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, wobei der gemeinsame Zündwinkel für jedes Halbleiterventil bzw. Halbleiterventilpaar einer jeweiligen Einheit zur Bildung eines jeweiligen vorläufigen Zündzeitpunkts zugeführt wird, wobei mittels einer jeweiligen Vorsteuerung bei geändertem Zündwinkel eine jeweilige vorläufige Zündverzögerungszeit gebildet wird, wobei aus der jeweiligen vorläufigen Zündverzögerungszeit mittels eines jeweiligen PI-Reglers in Abhängigkeit einer jeweiligen Stromabweichung eine jeweilige resultierende Zündverzögerungszeit gebildet wird und wobei aus der jeweiligen resultierenden Zündverzögerungszeit und dem jeweiligen vorläufigen Zündzeitpunkt ein jeweiliger resultierender Zündzeitpunkt gebildet wird.
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Dieses Verfahren führt zu einer schnellen und genauen Anpassung der einzelnen Zündzeitpunkte, um die parallel geschalteten Leistungszweige gleichmäßig zu belasten. Dazu sind jedem Halbleiterventil oder Halbleiterventilpaar eine Vorsteuerung und ein PI-Regler zugeordnet. Bei einem Zündwinkelsprung wird zunächst mittels Vorsteuerung eine vorläufige Anpassung des Zündzeitpunkts vorgenommen. Dies geschieht mit geringem Rechenaufwand durch Vorgabe einer vorläufigen Zündverzögerungszeit. Für jedes Halbleiterventil oder Halbleiterventilpaar wird diese Zündverzögerungszeit mittels eigenen PI-Reglers angepasst. Dabei wird für jeden Leistungszweig die Abweichung des hindurchfließenden Teilstromes von einem Referenzstrom erfasst und dem jeweiligen PI-Regler zugeführt. Diese Kombination von Vorsteuerung und jeweiligem PI-Regler führt zu einer schnellen und genauen Symmetrierung der Leistungszweige.
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Von Vorteil ist es, wenn zur Bildung des Referenzstromes ein gleichstromseitiger Gesamtstrom erfasst wird. Dies geschieht auf einfache Weise mittels eines Stromsensors.
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Dabei wird günstigerweise dem jeweiligen PI-Regler als Eingangsgröße der durch das dazugehörige Halbleiterventil fließende Strom abzüglich des gleichstromseitigen Gesamtstromes dividiert durch die Anzahl der Leistungsteile zugeführt. Die dem jeweiligen PI-Regler zugeführte Größe entspricht dann genau der Abweichung des durch das jeweilige Halbleiterventil fließenden Iststromes von einem Sollstrom, welcher bei vollständiger Symmetrierung vorliegen würde.
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Eine Weiterentwicklung des Verfahrens sieht vor, dass jedem PI-Regler eine variable Integrationszeitkonstante vorgegeben wird, indem die Integrationszeitkonstante durch einen einstellbaren Divisor dividiert wird. Auf diese Weise ist die Möglichkeit geschaffen, das Ansprechverhalten der PI-Regler an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Beispielsweise lässt dich damit eine bewusste Fehlanpassung vorgeben. Zudem wird die Symmetrierung mit steigender Integrationszeitkonstante stabiler. Die zu treffenden Anpassungen hängen von den Eigenschaften der jeweiligen Regelstrecken ab. Der Einstellbereich des Divisors für die Integrationszeitkonstante liegt dabei günstigerweise zwischen 0,1 und 1.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der jeweilige resultierende Zündzeitpunkt einer jeweiligen Impulsbildungseinheit zur Bildung eines jeweiligen Zündimpulses zugeführt wird. Der Ausgang der jeweiligen Impulsbildungseinheit ist dann direkt mit dem dazugehörenden Halbleiterventil bzw. Halbleiterventilpaar verbunden.
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Eine einfache Bildung des jeweiligen resultierenden Zündzeitpunkts sieht vor, dass ein Wert des vorläufigen Zündzeitpunkts mit einem Wert der jeweiligen resultierenden Zündverzögerungszeit addiert wird. Mit diesen einfachen Rechenoperationen ist eine schnelle Anpassung der Zündverzögerungszeiten gegeben.
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Eine erfindungsgemäße Stromrichterparallelschaltung ist an ein gemeinsames Versorgungssystem zur Erzeugung eines Erregerstromes in einem Kraftwerksgenerator angeschlossen, wobei eine Steuerung vorgesehen ist, welche zur Durchführung eines obigen Steuerungsverfahrens eingerichtet ist. Auf diese Weise lässt sich der Kraftwerksgenerator besonders effizient betreiben.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Steuerung zur Bildung der jeweiligen resultierenden Zündzeitpunkte einen Mikrocontroller umfasst. Mikrocontroller sind besonders geeignet, um die Rechenvorgänge der obigen Steuerungsverfahren auszuführen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 Stromrichterparallelschaltung nach dem Stand der Technik
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2 Stromrichterparallelschaltung im Detail
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3 Regelungsaufbau
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Eine bekannte Anordnung umfasst mehrere parallel geschaltete Leistungsteile LT1, LT2, LT3, die über einen Transformator 5 und eine Netzanschaltung 4 an ein Versorgungsnetz 3 angeschlossen sind und eine gemeinsame Last 2 versorgen. Angesteuert werden die Leistungsteile LT1, LT2, LT3 mittels einer gemeinsamen Regelung 1, die einen gemeinsamen Zündwinkel α vorgibt. Für Symmetrierungsmaßnahmen wird ein vom einem Referenzstrom abweichender Strom erfasst, welcher durch das jeweilige Leistungsteil LT1, LT2, LT3 fließt.
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2 zeigt beispielhaft eine Parallelschaltung von drei Leistungsteilen LT1, LT2, LT3 mit den Halbleiterventilen T11, T21, T31, T41, T12, T22, T32, T42, T13, T23, T33, T43, bzw. Halbleiterventilpaaren T11 und T21, T31 und T41, T12 und T22, T32 und T42, T13 und T23, T33 und T43, die zwischen einen Wechselstromanschluss und einen Gleichstromanschluss geschaltet sind. Angesteuert werden die Halbleiterventile T11...T43 mittels einer modifizierten Reglerschaltung 1‘, deren Aufbau in 3 dargestellt ist.
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Zum Zeitpunkt, der in 2 dargestellt ist, sind in jedem Leistungsteil LT1, LT2, LT3 das jeweils erste Halbleiterventil T11, T12, T13 und das jeweils vierte Halbleiterventil T41, T42, T43 leitend. Der von der Stromrichterparallelschaltung ausgegebene Gesamtstrom Ig setzt sich dabei aus den einzelnen Teilströmen I1, I2, I3 der drei Leistungsteile LT1, LT2, LT3 zusammen: Ig = I1 + I2 + I3
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Aus dem gemeinsamen Zündwinkel α wird mittels der modifizierten Regelung 1‘ für jedes Halbleiterventil T11...T43 bzw. für jedes Halbleiterventilpaar T11 und T21...T33 und T43 ein eigener Zündimpuls zixyz vorgegeben. Die tiefgestellten Indizes x, y und z der Bezugszeichen EZxyz, VSxyz, IBxyz, IxyzΔ, PIxyz, tzxyz, Δtxyz , Δt‘xyz , tz’xyz und zixyz bedeuten dabei eine Zuordnung zum x-ten und zum y-ten Halbleiterventil im z-ten Leistungsteil. Damit ist klargestellt, dass für jedes Halbleiterventil T11...T43 bzw. jedes Halbleiterventilpaar T11 und T21...T33 und T43 mittels eines eigenen PI-Reglers PIxyz eigene resultierende Zündzeitpunkte tz’xyz ermittelt werden. Diese Zuordnung gilt auch bei mehr als drei Leistungsteilen, die parallel zwischen ein Drehstromnetz und ein Gleichstromnetz geschaltet sind. Bei Vollbrücken werden die Halbleiterventile T11...T43 paarweise angesteuert, sodass jedem Halbleiterventilpaar T11 und T21...T33 und T43 eine Vorsteuerung VSxyz und ein PI-Regler PIxyz zugeordnet sind.
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In der Anordnung gemäß 2 sind zum Beispiel dem ersten Leistungsteil LT1 zwei PI-Regler PI112, PI134 zugeordnet. Dem ersten dieser PI-Regler PI112 ist dann folgende Größe als Regelabweichung zugeführt: I112Δ = I1 – Ig/3
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Als Referenzstrom wird demnach der Gesamtstrom Ig geteilt durch die Anzahl der parallel geschalteten Leistungsteile LT1, LT2, LT3 herangezogen.
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Die Stellgröße dieses PI-Reglers PI112 verändert die Ausgangsgröße Δtxyz einer Vorsteuerung VSxyz für die beiden zugeordneten Halbleiterventile T11, T21. Und zwar wird bei einer negativen Regelabweichung die von der Vorsteuerung VSxyz ausgegebene vorläufige Zündverzögerungszeit Δtxyz verkürzt, sodass die beidem Halbleiterventile T11, T21 früher zünden. Dadurch übernimmt der erste Leistungsteil LT1 einen größeren Teilstrom I1, wodurch eine Symmetrierung erreicht wird. Bei einer positiven Regelabweichung verlängert sich die vorläufige Zündverzögerungszeit Δtxyz in entsprechender Weise.
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Vorzugsweise ist für jeden PI-Regler PIxyz ein Divisor für die Integrationskonstante Tn mit einem Wert zwischen 0,1 und 1 vorgebbar. Damit ist das Regelverhalten der einzelnen PI-Regler PIxyz an gegebene Rahmenbedingungen anpassbar. Bei einer Inbetriebnahme einer Stromrichterparallelschaltung ist es sinnvoll, jedem PI-Regler PIxyz zunächst eine niedrige Integrationskonstante Tn vorzugeben (d.h. den Divisor auf 1 zu stellen), um asymmetrische Betriebszustände möglichst schnell auszuregeln. Tritt dabei instabiles Verhalten des Regelungssystems auf, erfolgt eine Stabilisierung durch schrittweises Anheben der Integrationskonstante Tn (d.h. durch Verkleinerung des Divisors).
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Die jeweilige Vorsteuerung VSxyz dient dazu, bei Zündwinkelsprüngen die Zündzeitpunkte der einzelnen Halbleiterventile T11...T43 zunächst ohne Beeinflussung durch einen Regler und somit sehr schnell anzupassen. Die als Zündwinkelsprung bezeichnete Änderung der Zündwinkelvorgabe führt nämlich zu einer Änderung der Spannung, welche an einer nicht dargestellten Kommutierungsinduktivtät der Stromrichterparallelschaltung anliegt. Infolgedessen steigt der Strom I1, I2, I3 durch die parallel geschalteten Halbleiterventile T11...T43 nach einem Zünden mit einer anderen Steilheit an.
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Für eine Ausgleichsregelung sind solche Zündwinkelsprünge problematisch, weil hierbei jedem der parallel geschalteten Halbleiterventile T1
1...T4
3 unterschiedliche Änderungen der Zündzeitpunkte tz
xyz vorgegeben werden. Dabei würde ein Zündwinkelsprung infolge der geänderten Stromsteilheit ohne geeignete Maßnahme die Symmetrie der parallel geschalteten Zweige stören. Durch die Anpassung der Zündzeitpunkte tz
xyz wird mittels einer jeweiligen Vorsteuerung VS
xyz eine solche Störung vermieden. Ein geeignetes Verfahren zum Betreiben der jeweiligen Vorsteuerung VS
xyz ist in der Schrift
AT 512 886 A1 angegeben.
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Für jedes Halbleiterventil T11...T43 bzw. Halbleiterventilpaar T11 und T21...T33 und T43 wird demnach ein resultierender Zündzeitpunkt tz’xyz wie folgt bestimmt. Der gemeinsame Zündwinkel α wird einer jeweiligen Einheit EZxyz zur Bildung eines vorläufigen Zündzeitpunkts tzxyz zugeführt. Zudem wird der Zündwinkel α der jeweiligen Vorsteuerung VSxyz zugeführt, um eine vorläufige Zündverzögerungszeit Δtxyz vorzugeben. Erfindungsgemäß wird diese vorläufige Zündverzögerungszeit Δtxyz mittels eines jeweiligen PI-Reglers PIxyz angepasst, um die parallel geschalteten Leistungsteile LT1, LT2, LT3 zu symmetrieren. Eine resultierende Zündverzögerungszeit Δt’xyz ändert in weiterer Folge den vorläufigen Zündzeitpunkt tzxyz, wobei der resultierende Zündzeitpunkt tz’xyz mittels einer jeweiligen Impulsbildungseinheit IBxyz in einen Zündimpuls zixyz umgesetzt wird.
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Auf diese Weise wird die Schnelligkeit einer jeweiligen Vorsteuerung VSxyz mit der Genauigkeit einer jeweiligen PI-Reglers PIxyz kombiniert, wodurch sich insgesamt eine schnelle und genaue Symmetrierung ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 509828 A1 [0008]
- AT 512886 A1 [0032]
