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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb zumindest zwei elektrisch miteinander verbundener Umrichter.
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In vielen Fällen ist der Energiebedarf von elektrischen Verbrauchern nicht konstant, sondern zeitlichen Schwankungen unterworfen. Dies können zyklische oder periodische Schwankungen sein oder auch unvorhersehbare Lastanforderungen, wie es üblicherweise im Bereich erneuerbarer Energien bei der Zwischenspeicherung von Wind- oder Sonnenenergie vorkommt. Zur Kopplung der unterschiedlichen Netzformen und Spannungsebenen sind sogenannte Spannungsumrichter, meist unter Einsatz leistungselektronischer Stellglieder, notwendig. Ein typisches Merkmal solcher Vorrichtungen ist üblicherweise eine relativ starke Schwankung der Effizienz mit einer Laständerung. Gerade bei veränderlichen Lasten besteht ein großes Verbesserungspotenzial, wenn es möglich wäre, die Effizienz über einen großen Betriebsbereich immer möglichst hoch zu halten.
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Eine relativ einfache Möglichkeit, die Effizienz eines Umrichters über einen größeren Betriebsbereich hoch zu halten, ist der Einsatz von zwei oder mehreren baugleichen parallelgeschalteten Vorrichtungen, welche beispielsweise einen besseren Gesamt-Wirkungsgrad erzielen, wenn nicht ein Umrichter mit voller Leistung Energie überträgt, sondern alle nur einen entsprechenden Bruchteil, da die Effizienz eines Umrichters üblicherweise im Teillastbereich am höchsten ist. Zur Steuerung der Lastaufteilung ist dabei die Erfassung und Regelung bestimmter elektrischer Größen notwendig.
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Zum Betrieb mehrerer solcher Vorrichtungen gibt es unterschiedliche Lösungen, welche des Öfteren die charakteristischen Stichworte „Multiphasen-Umrichter” oder „Interleaved-Konverter” nutzen.
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Ein Verbund von zwei parallel geschalteten Umrichtern wird in einem gängigen Verfahren derart betrieben, dass zwei oder mehr Umrichter die gleiche Stellgröße erhalten. Die Stellgröße kann hierbei von einer Regelstruktur für Spannungs- oder Stromregelung erzeugt werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass aufgrund von nicht vermeidbaren Bauteiltoleranzen eine symmetrische Last- oder Stromaufteilung zwischen den Umrichtern nicht gegeben ist. Hierfür ist in eine dem Umrichter vorgelagerte zweite leistungselektronische Vorrichtung notwendig, was mit zusätzlichem Aufwand an Bauteilen und Kosten verbunden ist.
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Ein weiteres gängiges Verfahren zum Betrieb zwei parallel geschalteter Umrichter ist, dass der erste Umrichter spannungsgeregelt und der zweite Umrichter stromgeregelt wird. Dabei wird die Lastaufteilung durch die Stromvorgabe des zweiten Umrichters gesteuert. Analog kann dieses Verfahren auch auf beliebig viele Stufen erweitert werden, solange genau eine Stufe spannungsgeregelt ist und jede andere Stufe eine eigene Regelung für den Ausgangsstrom besitzt. Besonders für mehrstufige beziehungsweise mehrphasige Systeme hat dieses Verfahren den Nachteil, dass für jeden Umrichter eine eigene Regelstruktur notwendig ist, wodurch bei analoger Ausführung der Regelstruktur entsprechend viele Bauteile eingesetzt werden müssen, bei digitaler Ausführung ein großer Teil des verfügbaren Speicherplatzes in einem dafür vorgesehenen Baustein reserviert werden muss. Außerdem müssen die Regelparameter aufgrund von Bauteiltoleranzen für jeden Umrichter einzeln optimiert werden.
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Die
US 020040008011 A1 offenbart ein Verfahren, das in einem Multiphasen-Gleichspannungs-Tiefsetzsteller die Ausgangsspannung regelt und gleichzeitig dafür sorgt, dass sich der Strom und damit die Leistung auf alle einzelnen Phasen gleichmäßig aufteilt. Dabei wird der Strom in jeder einzelnen Phase gemessen und über eine Addition und Mittelwertbildung über alle Phasen der jeweilige Fehlerwert jeder Phase zum Mittelwert gebildet. Aus diesem Fehlerwert wird ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt, welches prinzipiell die Schaltelemente der jeweiligen Stufen steuert. Durch dieses Verfahren ist eine exakte gleichmäßige Lastaufteilung auf alle Phasen möglich. Jedoch ist diese Verfahrensweise hinsichtlich einer möglichst hohen Effizienz über den gesamten Betriebsbereich nicht zielführend, da die erreichbare Gesamteffizienz zum Einen von der Wirkungsgrad-Kennlinie eines einzelnen Umrichters, zum anderen von der Lastaufteilung und der damit verbundenen gewichteten Bewertung der Einzel-Wirkungsgrade für die Ermittlung der Gesamt-Effizienz abhängt. Dadurch kann eine ungleichmäßige Lastaufteilung eine höhere Effizienz liefern.
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Die
US 2014/0009985 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Symmetrierung von zwei oder mehr parallel geschalteten Umrichtern. Eingangsseitig besitzt jeder Umrichter einen eigenen Spannungsanschluss, sodass die Eingangsspannungen unabhängig voneinander sind. Das Verfahren beschreibt die gleichmäßige Verteilung der Ströme und Leistungen der einzelnen Umrichter durch Anpassung der Eingangsspannung des jeweiligen Umrichters durch eine vorgeschaltete Spannungsquelle. Weiterhin wird ein Verfahren zur Symmetrierung von zwei oder mehr Umrichtern, die einen gemeinsamen eingangsseitigen Spannungsanschluss besitzen, offenbart. Das Verfahren beschreibt die gleichmäßige Aufteilung von Strömen und Leistungen zweier oder mehrerer paralleler Umrichter durch eine Regelung der Eingangsleistung der vorgeschalteten Spannungsquelle jedes einzelnen Umrichters. Somit ist mit diesen Verfahren eine den zu symmetrierenden Umrichtern vorgeschaltete Spannungsquelle notwendig, welche durch eine Kontrolleinheit gesteuert werden kann. Außerdem ist in beiden Fällen sowie in der gesamten Offenlegung dabei die Zielsetzung eine ausschließlich gleichmäßige Lastverteilung auf alle Umrichter. Damit entstehen jedoch insbesondere im Teillastbereich erhebliche Effizienzeinbußen, da der Wirkungsgradverlauf eines Umrichters in Abhängigkeit der übertragenen Leistung typischerweise stark nichtlinear ist und sein Maximum ebenfalls im Teillastbereich besitzt.
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Daher stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Umrichtern so zu betreiben, dass eine möglichst kompakte Regelstruktur für alle Umrichter vorhanden ist und sich bei Regelung einer gemeinsamen Größe die Lastaufteilung für jeden Umrichter individuell einstellen lässt, um immer eine möglichst hohe Effizienz der gesamten Vorrichtung zu erreichen.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Weitere günstige Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb von zumindest zwei elektrisch miteinander verbundenen Umrichtern, welches nur eine Regelstruktur für alle Umrichter nutzt und eine diesen Umrichtern gemeinsame Größe regelt. Durch nur eine Regelstruktur kann der Bauteilaufwand für eine Steuer- und Regelaufgabe gering gehalten werden und es müssen nur einmal die Regelparameter für alle an einer Energieübertragung beteiligten und miteinander verbundenen Umrichter eingestellt werden, was eine schnellere, einfachere und damit günstigere Herstellung einer solchen Vorrichtung ermöglicht. Zur Steuerung der Lastverteilung auf die einzelnen Umrichter wird eine weitere elektrische Größe als Grundlage für die Stellgrößenvorgabe eines jeden Umrichters benutzt. Diese weitere elektrische Größe unterliegt dabei lediglich der Bedingung, dass sie für jeden Umrichter individuell einstellbar ist. Aus der nur einen Regelstruktur wird ein Stellwert ausgegeben. Dieser Stellwert wird nachfolgend mit vorgebbaren Sollwerten für die individuell einstellbaren elektrischen Größen eines jeden Umrichters durch eine Gewichtung gemäß dem gewünschten Verhältnis der einzelnen Sollwerte zueinander in die Stellgrößen eines jeden Umrichters umgewandelt.
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Dieses Verfahren ermöglicht durch eine unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Sollwerte eine unsymmetrische Lastaufteilung zwischen den einzelnen miteinander verbundenen Umrichtern. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Betriebspunkt eines jeden Umrichters individuell eingestellt werden, um die typischerweise nichtlinearen und toleranzabhängigen Wirkungsgradverläufe der einzelnen Umrichter zu berücksichtigen und den jeweils bestmöglichen Gesamtwirkungsgrad zu erzielen.
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In einer günstigen Ausführungsform wird dabei bei mehreren parallel geschalteten Umrichtern deren gemeinsame Spannung geregelt. Dabei kann bei einer eingangsseitigen Parallelschaltung die Eingangsspannung, bei einer ausgangsseitigen Parallelschaltung die Ausgangsspannung geregelt werden. Der Ausgangswert der Regelstruktur wird dann mit einer Sollwertvorgabe für die Ströme eines jeden Umrichters gewichtet und so für jeden einzelnen Umrichter eine eigene Stellgröße berechnet und generiert. Die Stellgröße kann dabei beispielsweise ein Wert für eine Schaltfrequenz in einem Resonanzwandler als besondere Ausführung eines Umrichters sein, oder ein Wert für eine Pulsbreite in einem Puls-Umrichter. Zur Gewichtung der Stellgrößen kann auch die jeweils jedem Umrichter eigene Ein- oder Ausgangsspannung herangezogen werden, wenn die entsprechende Seite eine Serienschaltung aller Umrichter besitzt.
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Weiterhin kann in einer Vorrichtung, die aus einer Reihenschaltung mehrerer Umrichter besteht, in vorteilhafter Weise der allen Umrichtern gemeinsame Strom geregelt werden und anschließend durch Gewichtung des Ausgangswerts der Regelstruktur mit dem Verhältnis der Sollwerte für die Spannungen der einzelnen Stufen wiederum eine jedem Umrichter zugeordnete Stellgröße generiert werden. Dabei kann bei einer eingangsseitigen Serienschaltung der Eingangsstrom, bei einer ausgangsseitigen Serienschaltung der Ausgangsstrom geregelt werden. Zur Gewichtung der Stellgrößen kann auch der jeweils jedem Umrichter eigene Ein- oder Ausgangsstrom herangezogen werden, wenn die entsprechende Seite eine Parallelschaltung aller Umrichter besitzt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dabei eine dynamische Veränderung der Gewichtung der einzelnen Stellgrößen derart durchgeführt, dass durch die unterschiedlichen Einzel-Wirkungsgrade bei unterschiedlichen Betriebspunkten ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad erzielt wird.
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Eine andere günstige Ausgestaltung des Verfahrens führt im Falle einer schlagartigen Änderung des Betriebspunktes ebenfalls eine schnelle, schlagartige Veränderung der Gewichtung durch. Diese Vorgehensweise dient dabei nicht der Effizienzoptimierung, sondern soll dynamisches Spannungs- oder Stromüber- oder unterschwingen bei beispielsweise extremen Lastsprüngen durch beispielsweise schlagartige Minimierung oder Maximierung der einzelnen Stellgrößen oder Deaktivierung oder Aktivierung einzelner Umrichter abschwächen.
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In einer weiteren günstigen Ausführungsform geschieht die Regelung und Steuerung aller Umrichter durch einen oder mehrere digitale Signalprozessoren mit einer Speichereinheit. Dadurch können auf einfache und schnelle Weise vorbestimmte, betriebspunkt-abhängige Gewichtungsfaktoren in Speicherregistern abgelegt werden, welche dann für die Stellgrößenerzeugung zur Verfügung stehen.
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Die Erfindung wird anhand 1 bis 4 im Folgenden näher erläutert.
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1 zeigt eine Parallelschaltung zweier Umrichter mit einer herkömmlichen Lösung für eine Regelungs- bzw. Symmetrierungsaufgabe
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens bei Parallelschaltung zweier Umrichter
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens bei Serienschaltung zweier Umrichter
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4 zeigt einen typischen Wirkungsgradverlauf in Abhängigkeit der auf die maximale Leistung bezogenen Übertragungsleistung eines einzelnen Umrichters
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Nachfolgend sind gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 stellt eine Parallelschaltung von zwei Umrichtern (2a, 2b) dar, welche jeweils eine eigene Regelstruktur (1a, 1b) besitzen. Einer der beiden Umrichter (2a) wird dabei als spannungsgeregelter Umrichter betrieben, indem die beiden Umrichtern gemeinsame Ausgangsspannung (3) gemessen, der zugehörigen Regelstruktur (1a) zugeführt und auf einen entsprechenden Vorgabewert (6) geregelt wird. Der zweite Umrichter (2b) wird dann auf den aktuellen Ausgangsstrom (4) des ersten Umrichters (2a) geregelt, indem dessen Ausgangsstrom (5) gemessen und seiner Regelstruktur (1b) zugeführt wird. Dadurch wird eine symmetrische Lastverteilung erreicht. Jedoch kann keine unsymmetrische Lastverteilung realisiert werden, was die Effizienz in wesentlichen Teilen des Betriebsbereichs erhöhen würde.
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Die Ermöglichung einer unsymmetrischen Lastverteilung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in 2 dargestellt. Dabei wird einer beiden Umrichtern (2a, 2b) gemeinsamen Regelstruktur (1) ein Vorgabewert für die Ausgangsspannung (6) zugeführt. Durch Messung der beiden Umrichtern (2a, 2b) gemeinsamen Ausgangsspannung (3) wird diese geregelt. Das Stellsignal, das von der Regelstruktur erzeugt wird, wird in einer Gewichtungseinheit (7) in zwei typischerweise unterschiedliche Stellsignale (11, 12) für die beiden Umrichter (2a, 2b) umgewandelt. Die Gewichtungsfaktoren werden dabei auf der Basis der beiden aktuellen Ausgangsströme (4, 5) der beiden Umrichter (2a, 2b) bestimmt, welche der Gewichtungseinheit (7) zugeführt werden. Durch die Messung der beiden Ausgangsströme (4, 5) kann die Gewichtungseinheit (7) eine Berechnung der Gesamt-Leistung des Systems aus beiden Umrichtern (2a, 2b) durchführen und so über beispielsweise in einer Lookup-Tabelle abgelegte Wirkungsgrad-Messwerte der einzelnen Umrichter (2a, 2b) eine konkrete Bestimmung derjenigen Lastaufteilung auf die einzelnen Umrichter (2a, 2b) vornehmen, welche die beste Gesamt-Effizienz liefert. Weiterhin kann die Lastaufteilung vereinfacht werden, indem immer eine konstante Differenz der beiden Ausgangsströme (4, 5) oder Stellsignale (11, 12) der beiden Umrichter (2a, 2b) eingehalten wird. Diese Vorgehensweise nutzt zwar nicht alle bestmöglichen Lastaufteilungen aus, es kann dafür aber auf abgespeicherte Messwerte verzichtet werden und so auch eine Gewichtung mithilfe analoger Schaltungstechnik vorgenommen werden.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, womit zwei ausgangsseitig in Reihe geschaltete Umrichter (2a, 2b) vorteilhaft hinsichtlich einer bestmöglichen Effizienz betrieben werden. Die prinzipielle Funktionsweise ist dieselbe wie bereits unter 2 beschrieben, wobei nun der beiden Umrichtern (2a, 2b) gemeinsame Ausgangsstrom (10) gemessen und einer beiden Umrichtern (2a, 2b) gemeinsamen Regelstruktur (1) zugeführt wird, welche diesen auf den ebenfalls zugeführten Vorgabewert (6) regelt. Die Gewichtung der Lastaufteilung auf die beiden Umrichter (2a, 2b) geschieht in diesem Fall über die Messung der einzelnen Ausgangsspannungen (8, 9) der beiden Umrichter (2a, 2b).
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Die prinzipielle Wirkungsweise des vorgeschlagenen Verfahrens wird anhand 4 erläutert. Typischerweise besitzt die Wirkungsgrad-Kennlinie eines Umrichters (2a, 2b) einen nichtlinearen Verlauf, welcher sein Maximum bei einer Leistung besitzt, die niedriger als die Nennleistung ist. Im dargestellten Beispiel beträgt die maximale Effizienz 0,97 bei einer Leistung von 85% der maximalen Leistung. Sollen beispielsweise 2 Umrichter zur Energieübertragung eingesetzt werden, wäre die Gesamt-Effizienz bei einer Gesamtleistung von 50% der Gesamt-Nennleistung im Falle einer exakt gleichmäßig aufgeteilten Last niedriger (93%) als wenn ein Umrichter im Maximum (85%), der andere entsprechend der verbleibenden Lastanforderung (15%) betrieben würde. In diesem Fall ergibt sich ein Gesamt-Wirkungsgrad von 95,2%, was einer Reduktion der Verluste um über 30% entspricht (Verlustleistung fällt von 7% auf 4,8% der übertragenen Leistung).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- gemeinsame Regelstruktur
- 1a
- Regelstruktur erster Umrichter
- 1b
- Regelstruktur zweiter Umrichter
- 2a
- erster Umrichter
- 2b
- zweiter Umrichter
- 3
- Gesamt-Ausgangsspannung
- 4
- Ausgangsstrom erster Umrichter
- 5
- Ausgangsstrom zweiter Umrichter
- 6
- Vorgabewert für Regelstruktur
- 7
- Gewichtungseinheit
- 8
- Ausgangsspannung erster Umrichter
- 9
- Ausgangsspannung zweiter Umrichter
- 10
- Gesamt-Ausgangsstrom
- 11
- Stellgröße erster Umrichter
- 12
- Stellgröße zweiter Umrichter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 020040008011 A1 [0007]
- US 2014/0009985 A1 [0008]
