DE102016203123A1

DE102016203123A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung eines Wechselrichters

Info

Publication number: DE102016203123A1
Application number: DE102016203123.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Unruh; Axel Seibel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zur Regelung eines Wechselrichters (10) mit einem Eingang (2), einer Einstellvorrichtung (3) und einem Ausgang (4). Der Eingang (2) empfängt einen Ist-Wert einer Ausgangs-Leistung (P) des Wechselrichters (10) und einen Ist-Wert einer Ausgangs-Blindleistung (Q) des Wechselrichters (10). Die Einstellvorrichtung (3) ermittelt ausgehend von dem Ist-Wert der Ausgangs-Leistung (P), dem Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung (Q) und einem Ist-Wert einer zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q. ) ein Stellsignal (S). Schließlich gibt der Ausgang (4) das Stellsignal (S) für die Regelung des Wechselrichters (10) aus. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung eines Wechselrichters. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zur Regelung eines Wechselrichters.
Ein Wechselrichter (auch als Inverter bezeichnet) ist im Allgemeinen ein elektrisches Gerät, welches eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und dadurch einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umrichtet. Dabei sind Wechselrichter oft zwischen Gleichspannungsquellen (z. B. Photovoltaikanlagen, Batterien usw.) und elektrischen Verbrauchern (oder allgemein dem üblichen Stromnetz) angeordnet, da viele Verbraucher einen Wechselstrom benötigen.
Oft werden Wechselrichter betrieben, um im Parallelbetrieb ein Spannungsnetz zu bilden. Bei einem solchen Stromversorgungsnetz versorgen die einzelnen Wechselspannungsquellen in Form der Wechselrichter das Netz oft mit einer Sinusspannung mit einer effektiven Spannung von z. B. 230 V bei einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz. Dabei speisen die Wechselrichter insbesondere eine Leistung und eine Blindleistung in das Netz ein.
In der 1 ist ein Modell von zwei Spannungsquellen 10, 12 im Parallelbetrieb dargestellt. Die eine Spannungsquelle (hier auf der linken Seite dargestellt und als „Inverter” bezeichnet) sei dabei durch einen Wechselrichter 10 gegeben, der mit einem Spannungsnetz 12 (auf der rechten Seite und bezeichnet als „Microgrid”) verbunden ist. Die Spannungsquellen 10, 12 sind über eine Koppelimpedanz 11 mit dem komplexen Widerstand Z miteinander verbunden.
Die Koppelimpedanz Z ergibt sich dabei aus einem ohmschen Anteil mit Widerstandswert R sowie aus einem imaginären Anteil X mit der Induktivität L in Abhängigkeit von der Frequenz f bzw. der Kreisfrequenz ω = 2·π·f über Z = j·ω·L + R = j·X + R.
Die Koppelimpedanz Z ergibt sich z. B. durch die elektrischen Leitungen zwischen den Spannungsquellen 10, 12.
Dabei ist in der 1 U₁ die Inverterspannung oder Ausgangsspannung des Wechselrichters 10 und ist U₂ die Netzspannung, die sich z. B. aus der Zusammenfassung von mehreren Netzbildnern ergibt.
Zwischen den beiden Spannungen U₁, U₂ besteht dabei eine Winkeldifferenz mit dem Winkel δ, die hier auf der rechten Seite der 1 angedeutet ist.
Wie in der konventionellen Kraftwerksleittechnik üblich, werden netzbildende Kraftwerke (diese Bezeichnung sei für das Verständnis gleichwertig mit Wechselrichter) mit sogenannten Statiken (f(P)- und U(Q)-Kennlinien) ausgestattet, die effizient bei einer induktiven Kopplung zwischen den verschiedenen Netzbildnern arbeiten und das Regeln der Wechselrichter erlauben. Dies liegt vor allem bei großen Kraftwerken vor, da diese an Hochspannungsnetze angebunden sind und in solchen Netzen hauptsächlich der induktive Anteil (j·ω·L) der Leitungsimpedanz (Z) zum Tragen kommt, sodass in dieser Hinsicht eine ordnungsgemäße Funktionsweise erzielt wird.
Über die Statiken werden die Netz-Frequenz f und die Ausgangs-Leistung P bzw. die Netz-Spannung U und die Ausgangs-Blindleistung Q miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die vom jeweiligen Wechselrichter abgegebene Ausgangs-Leistung P sich auf die Netz-Frequenz f und die abgegebene Ausgangs-Blindleistung Q sich auf die Netz-Spannung U auswirkt.
Dabei werden in der Regel lineare Zusammenhänge vorgegeben, die sich auf die Nennwerte der Frequenz f und der Spannung U beziehen: f_N und U_N. Beispielsweise sind dies 50 Hz bzw. 230 V. Weiterhin sind die Kennwerte st₁ und st₂ bezogen auf jeweilige Normwerte als Maß für die Abhängigkeiten – die Frequenz als Funktion der Leistung bzw. der Spannung als Funktion der Blindleistung – vorgegeben.
Daher finden im Stand der Technik in der Regel solche Statiken Verwendung, die auch in der 2 grafisch dargestellt sind: f = f_N – st₁·P mit st₁ = Δf_N/P_N und U = U_N – St₂·Q mit st₂ = ΔU_N/Q_N+
In gleicher Weise basieren auch moderne Netzbildner auf dem Einsatz der konventionellen Leistungsstatiken.
Die Schwierigkeit besteht jedoch in der Anwendung auf das Niederspannungsnetz, denn dort überwiegt der ohmsche Anteil (R) der Kopplungsimpedanz (Z), sodass sich die Verhältnisse von f(P) und U(Q) umkehren. Dies bedeutet, dass erhebliche Quereinflüsse der Frequenzänderungen auf die Blindleistung und der Spannungsänderungen auf die Wirkleistung auftreten.
Da die neuartigen Netzbildner in Zukunft vorzugsweise in den unteren Spannungsebenen anzutreffen sein werden, sind weiterführende Lösungen zur verbesserten Funktionsweise erforderlich.
Ein Ansatz im Stand der Technik liegt darin, den induktiven Anteil der Leitungsimpedanz künstlich zu erhöhen. Dies kann entweder real durch das Anbringen einer weiteren Spule am Ausgang des Netzbildners geschehen oder virtuell, indem abhängig von der Änderung des Ausgangsstroms der Spannungssollwert verändert wird (siehe Matas, J. et al. „Virtual Impedance Loop for Droop-Controlled Single-Phase Parallel Inverters Using a Second-Order General-Integrator Scheme", IEEE Transactions on Power Electronics, S. 2993–3002, 2010). Letzteres kommt der Wirkung einer Spule am Ausgang gleich, da im Verhältnis zur Änderung des Stroms ein zusätzlicher Spannungsabfall aufgeprägt wird.
Ein Nachteil besteht bei diesem Verfahren darin, dass eine Anpassung des Spannungssollwerts erst den Spannungsregler und die Regelstrecke durchlaufen muss, um die entsprechende Wirkung zu erzielen. Da der Regler nicht beliebig schnell arbeiten kann, stellt sich zwar im stationären Fall die gewünschte Wirkung genau ein, im dynamischen Fall dagegen ist es abhängig vom Regel- bzw. Streckenverhalten, sodass die Stabilität beeinträchtigt werden kann. Daher wird eine Kombination aus einer realen Induktivität und einer virtuellen bevorzugt. Die reale Spule am Ausgang des Inverters kann z. B. ein Teil des LCL-Filters sein.
Insgesamt kann so zwar das Systemverhalten verbessert werden. Nichtsdestotrotz verursacht ein signifikanter ohmscher Anteil abweichende Spannungsabfälle bei unterschiedlichen Leitungen zu den netzbildenden Invertern. Dies führt wiederum zu undefinierten Blindleistungsaufteilungen bzw. Blindleistungspegeln zwischen den Netzbildnern. Ein negativer virtueller Widerstand zur Kompensation der realen ohmschen Leitungsimpedanz ist hierzu denkbar.
Ein anderer Ansatz liegt in der Anpassung der Statiken abhängig von der jeweiligen Netzsituation. Hierfür wird die Statikregelung mit einer Drehmatrix versehen, in der das Verhältnis zwischen dem Imaginär- (X) und dem Realanteil (R) der Koppelimpedanz eingeht (also das X/R-Verhältnis). Dadurch werden die Statikkennlinien entsprechend des Verhältnisses von f, U auf P, Q an die jeweilige Netzsituation angepasst.
Die 3 verdeutlicht den angesprochenen Zusammenhang jeweils mit einem Koordinatensystem für die Frequenz und die Spannung und einem für den Zusammenhang zwischen Real- und Imaginäranteil.
In der 3a) liegt in einem induktiv gekoppelten Netz das Ausgangskoordinatensystem (P, Q) genau über dem Koordinatensystem der Stellgrößen (f, U). Dabei gilt: R/X = 0 (dargestellt im kleinen Koordinatensystem).
Die 3b) zeigt den Fall, dass gilt: R/X = 1 und 3c) zeigt den Fall, dass X/R = 0 ist. Dabei ergibt sich, dass sich mit zunehmendem Netzwinkel das Ausgangskoordinatensystem weiter wegdreht, sodass z. B. Frequenzänderungen einen zusätzlichen Blindleistungsfluss hervorrufen. In gleicher Weise erfolgt es mit der Spannungsänderung und dem Wirkleistungsfluss. Demgemäß werden als Eingangsgrößen der Statikkennlinien die Hilfsgrößen P' und Q' aus dem Netzwinkel konstruiert, sodass nur der Teil in die Statikregelung eingeht, der auch aus den jeweiligen Stellgrößen hervorgerufen wird.
Die modifizierten Leistungskennlinien lauten dann wie folgt: f = f_N – st₁· P' = f_N – st₁· X / Z·P + st₁· R / Z·Q U = U_N – st₂·Q' = f_N – st₂· X / Z·Q – st₂· R / Z·P
Im Grunde liegt eine Projektion des um den Netzwinkel gedrehten Koordinatensystems auf die Stellgrößen U und f vor. Damit werden die Verhältnisse von U, f auf die Leistungsflüsse P, Q in der Regel so angepasst, wie sie aus der Regelstrecke vorliegend sind. Das heißt, es soll nur der Teil auf die Stellgrößen wirken, der auch entsprechend der Strecke beeinflusst werden kann. Somit wird ein übermäßiges Übersteuern verhindert und die Quereinflüsse von Frequenz und Spannung werden kompensiert (siehe z. B. De Brabandere, K. et al., „A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters", IEEE Transactions on Power Electronics, S. 1107–1115, 2007). Dabei wird die Kenntnis des Leitungswinkels vorausgesetzt.
Markus Jostock, „Stabilität wechselrichtergeführter Inselnetze: Regelungstechnische Modellierung und Dynamikanalyse des parallelen Statikbetriebs", 2013 beschreibt die Untersuchung des Einflusses der Drehmatrix bei netzbildenden Wechselrichtern. Als Ergebnis wurde festgehalten, dass damit besonders für das Niederspannungsnetz eine stabilisierende Wirkung erzielt wird. Ergo wird zwar einerseits die Stabilität verbessert, aber andererseits leidet die genaue Leistungsaufteilung darunter. Denn dadurch wird ausschließlich die Hilfsgröße P' aufgrund des integralen Verhaltens im Frequenzregelkreis stationär genau geregelt. Die eigentliche Aufteilung der Leistung stellt sich in Abhängigkeit zur Leistungscharakteristik und der gewählten Regelparameter beliebig ein.
Eine weiterer Ansatz im Stand der Technik bezieht sich auf eine Kompensation der Zuleitungseinflüsse, die die induktive Kopplung darstellen.
Thematisiert wird dabei eine Blindleistungsaufteilung in Niederspannungsnetzen (J. Quesada et al., "Control of inverters in a low voltage microgrid with distributed battery energy storage. Part I: Primary control", Electric Power Systems Research, S. 126–135, 2013). Dabei wird die konventionelle Statikregelung um einen Faktor ergänzt, der sich aus der Division vom ohmschen Anteil (R) der Koppelimpedanz (Z) und der Ausgangsspannung (U₁) des Inverters bildet und der den Einfluss der Wirkleistung (P) auf die Spannungsamplitude kompensiert soll. Zusätzlich wird neben der Blindleistungsstatikkennlinie ein additiver Term ergänzt, bestehend aus der Ausgansspannung (U₁) des Inverters und dem induktiven Anteil der Koppelimpedanz (Z). Der additive Term dient zur Kompensation der induktiven Koppelimpedanz der jeweiligen Netzbildner. Insgesamt kann damit der Einfluss der Zuleitungsimpedanz auf die Blindleistungsaufteilung kompensiert werden. Auch hier wird dafür die Kenntnis der Koppelimpedanz vorausgesetzt.
Weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Dynamik werden beispielsweise von Guerrero, J. M. et al., „A wireless controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems", IEEE Transactions on Power Electronics, S. 1205–1213, 2004, durch Modifikation der Leistungskennlinien wie folgt vorgeschlagen: φ = –m∫ t / –∞Pdτ – m_pP – m_d dP / dt U = U* – nQ – n_d dQ / dt
Hierbei werden zum einen zusätzliche Differentialterme eingefügt und zum anderen ein direkter Zugriff der Wirkleistung auf den Stellwinkel hergestellt. Die Auswahl der Parameter erfolgt qualitativ anhand von Wurzelortskurven.
In der Offenlegungsschrift DE 10140783 A1 wird eine Phasenvorsteuerung anhand der eingespeisten Wirkleistung beschrieben. Sie verbessert die Dynamik und wirkt stabilisierend auf das System.
Von Mohamed, Y. A.-R. I. und EI-Saadany, E. F., "Adaptive Decentralized Droop Controller to Preserve Power Sharing Stability of Paralleled Inverters in Distributed Generation Microgrids", IEEE Transactions on Power Electronics, S. 2806–2816, 2008, wird eine ähnliche Struktur wie bei den obigen Formeln beschrieben: f = f_N – mP – m_d dP / dt U = U_N – nQ – n_d dQ / dt
Sie unterscheidet sich von der zuvor genannten Form effektiv nur durch den direkten Eingriff der eingespeisten Wirkleistung auf die Stellwinkel.
Bei beiden Ansätzen werden die Leistung P, die Blindleistung Q und die zeitlichen Änderungen der Leistung und der Blindleistung herangezogen.
Insgesamt besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Wechselrichters vorzuschlagen, die eine möglichst effektive Regelung erlauben und die auch in Niederspannungsnetzen zuverlässig Anwendung finden können.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Regelung eines Wechselrichters.
Die Vorrichtung weist einen Eingang, eine Einstellvorrichtung und einen Ausgang auf. Dabei ist der Eingang derartig ausgestaltet, einen Ist-Wert einer Ausgangs-Leistung des Wechselrichters und einen Ist-Wert einer Ausgangs-Blindleistung des Wechselrichters zu empfangen. Weiterhin ist die Einstellvorrichtung derartig ausgestaltet, ausgehend von dem Ist-Wert der Ausgangs-Leistung, von dem Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung und von einem Ist-Wert einer zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung ein Stellsignal zu ermitteln. Schließlich ist der Ausgang derartig ausgestaltet, das ermittelte Stellsignal für die Regelung des Wechselrichters auszugeben.
Die Vorrichtung empfängt somit für die Regelung die Ist-Werte der beiden einzustellenden Größen Ausgangs-Leistung (eine andere Bezeichnung ist Ausgangs-Wirkleistung) und Ausgangs-Blindleistung des Wechselrichters und erzeugt aus den beiden Ist-Werten und aus dem Ist-Wert des dynamischen Verhaltens der Ausgangs-Blindleistung ein Signal, um damit regelnd auf den Wechselrichter einzuwirken, d. h. um dort die Ausgangs-Leistung und Ausgangs-Blindleistung passend einzustellen. Bei der Regelung wird somit auch das zeitliche Verhalten der Ausgangs-Blindleistung beachtet und verwendet.
In einer Ausgestaltung werden für die Regelung insbesondere nur die drei Zustände Ausgangs-Leistung, Ausgangs-Blindleistung und zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung herangezogen. In dieser Ausgestaltung wird somit insbesondere nicht die zeitliche Änderung der Ausgangs-Leistung verwendet.
In einer Ausgestaltung ist die Einstellvorrichtung derartig ausgestaltet, einen Wert einer Koppelimpedanz, über die der Wechselrichter mit einem Spannungs-Netz verbunden ist, für die Ermittlung des Stellsignals zu verwenden. Die Koppelimpedanz ist dabei in einer Ausgestaltung im Wesentlichen durch die Leitungen gegeben, durch die der Wechselrichter mit dem restlichen Spannungs-Netz verbunden ist.
In einer Ausgestaltung ist die Einstellvorrichtung derartig ausgestaltet, eine erste Statik für eine Abhängigkeit zwischen einer Netz-Frequenz und der Ausgangs-Leistung des Wechselrichters, eine zweite Statik für eine Abhängigkeit zwischen einer Netz-Spannung und der Ausgangs-Blindleistung des Wechselrichters sowie Nennwerte für die Netz-Frequenz und die Netz-Spannung für die Ermittlung des Stellsignals zu verwenden. Die erste Statik weist dabei einen ersten Statikfaktor für ein lineares Verhältnis zwischen der Netz-Frequenz und der Ausgangs-Leistung auf. Die zweite Statik beinhaltet einen zweiten Statikfaktor für ein lineares Verhältnis zwischen der Netz-Spannung und der Ausgangs-Blindleistung. Für die Ermittlung des Stellsignals verwendet die Einstellvorrichtung eine Rückführmatrix, die beide Statiken beinhaltet. Dabei ist die Einstellvorrichtung derartig ausgestaltet, die Rückführmatrix auf einen Vektor mit Einträgen für den Ist-Wert der Ausgangs-Leistung, den Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung und den Ist-Wert der zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung anzuwenden. Die Anwendung der Matrix auf den Vektor besteht in einer Ausgestaltung in einem Zugriff auf eine Datenbank oder einen Datenspeicher, in dem passende Werte hinterlegt sind.
Weiterhin weist die Rückführmatrix drei Spalten und zwei Zeilen auf und hat die Form:
Die Anwendung der Matrix auf den Vektor erfolgt in einer Ausgestaltung zumindest teilweise durch den Rückgriff auf bereits berechnete Wertepaare.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die einzelnen Einträge f₁₁ bis f₂₃ der Rückführmatrix F die folgenden Werte aufweisen:
Dabei werden in einer Ausgestaltung die Faktoren f₂₃ und f₁₃ unter Berücksichtigung der Messfilter und der Messverzögerung nachjustiert.
Die obigen Werte beziehen sich auf einen Vektor mit folgenden Einträgen: Ausgangs-Leistung, Ausgangs-Blindleistung und zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung. Haben die Ist-Werte andere Positionen in dem Vektor, so sind entsprechend auch die Elemente in der Rückführmatrix zu tauschen.
Dabei ist R der ohmsche Anteil und ist L der induktive Anteil der Koppelimpedanz. U₁ ist die Ausgangsspannung des Wechselrichters. Schließlich ist ω eine Kreisfrequenz zur Netz-Frequenz, d. h. ω = 2·π·f mit der Netz-Frequenz f.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die beiden Statiken näher beschrieben. Dabei weist die erste Statik folgende Form auf: f = f_N – st₁·P und die zweite Statik folgende Form: U₁ = U_N – st₂·Q.
Die beiden folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf Varianten zur Ermittlung des Ist-Werts der zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung.
In einer Variante ist die Einstellvorrichtung derartig ausgestaltet, den Ist-Wert der zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung aus dem Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung des Wechselrichters über Differentiation zu ermitteln.
In einer anderen Variante ist die Einstellvorrichtung derartig ausgestaltet, den Ist-Wert der zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung über einen Zustandsbeobachter zu ermitteln.
Die Erfindung löst die Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren zum Regeln eines Wechselrichters.
Das Verfahren weist dabei zumindest die folgenden Schritte auf:
Insgesamt werden eine Ausgangs-Leistung und eine Ausgangs-Blindleistung des Wechselrichters geregelt. Dabei werden für die Regelung ein Ist-Wert der Ausgangs-Leistung, ein Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung und ein Ist-Wert einer zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung als Regelgrößen herangezogen.
Es wird also in dem Verfahren die Einstellung der zwei Größen Ausgangs-Leistung und Ausgangs-Blindleistung bewirkt, wofür jedoch drei Zustände: Ausgangs-Leistung, Ausgangs-Blindleistung und zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung herangezogen werden.
Dabei gelten die obigen Ausführungen und Ausgestaltungen zu der Vorrichtung entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Umgekehrt lassen sich auch Verfahrensschritte durch Ausgestaltungen der Vorrichtung realisieren, so dass auch die Ausführungen und Erläuterungen bezüglich des Verfahrens für die Vorrichtung gelten. Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden die wesentlichen Schritte noch einmal erläutert.
In einer Ausgestaltung werden für die Regelung nur die drei bezeichneten Zustände Ausgangs-Leistung, Ausgangs-Blindleistung und zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung herangezogen. So ist beispielweise ein Wissen über den Wert einer zeitlichen Änderung der Ausgangs-Leistung nicht erforderlich.
In einer Ausgestaltung wird in einem Schritt ein Wert einer Koppelimpedanz ermittelt, über die der Wechselrichter mit einem Spannungs-Netz verbunden ist, und es wird für die Regelung der ermittelte Wert der Koppelimpedanz herangezogen. In dieser Ausgestaltung wird also berücksichtigt, wie der zu regelnde Wechselrichter mit dem restlichen Spannungs-Netz verbunden bzw. gekoppelt ist.
In einer Ausgestaltung wird eine erste Statik für eine Abhängigkeit zwischen einer Netz-Frequenz und der Ausgangs-Leistung und wird eine zweite Statik für eine Abhängigkeit zwischen einer Netz-Spannung und der Ausgangs-Blindleistung vorgegeben. Weiterhin wird ein Nennwert für die Netz-Frequenz (z. B. 50 Hz) und wird ein Nennwert für die Netz-Spannung (z. B. 230 V) vorgegeben. Dabei werden für die Regelung die erste Statik, die zweite Statik und der Nennwert für die Netz-Frequenz und der Nennwert für die Netz-Spannung herangezogen.
In einer Ausgestaltung wird für die erste Statik ein erster Statikfaktor für ein lineares Verhältnis zwischen der Netz-Frequenz und der Ausgangs-Leistung vorgegeben. Zudem wird für die zweite Statik ein zweiter Statikfaktor für ein lineares Verhältnis zwischen der Netz-Spannung und der Ausgangs-Blindleistung vorgegeben. Weiterhin wird für die Regelung eine Rückführmatrix verwendet, wobei die Rückführmatrix auf einen Vektor mit Einträgen für den Ist-Wert der Ausgangs-Leistung, für den Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung und für den Ist-Wert der zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung angewendet wird. Die Rückführmatrix F umfasst dabei die Statiken, so dass diese nicht einzeln, sondern durch die Rückführmatrix gemeinsam angewendet werden. Dabei weist die Rückführmatrix drei Spalten und zwei Zeilen auf und hat folgende Form:
In einer damit einhergehenden Ausgestaltung haben die Elemente der Rückführmatrix folgende Werte:
Dabei bezeichnet R den ohmschen Anteil und L den induktive Anteil der Koppelimpedanz. Weiterhin bezeichnet U₁ die Ausgangsspannung des Wechselrichters und ist ω eine Kreisfrequenz zur Netz-Frequenz f.
Je nach der Anordnung der Ist-Werte in dem Vektor sind gegebenenfalls auch die Einträge in der Matrix anders zu verteilen.
In einer Ausgestaltung wird die erste Statik mit folgender Form: f = f_N – st₁·P und wird die zweite Statik mit folgender Form vorgegeben: U₁ = U_N – st₂·Q.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des obigen Verfahrens.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
1 eine beispielhafte Modellierung von Netzbildnern im Parallelbetrieb sowie eine Darstellung einer Winkeldifferenz zwischen den zwei Spannungen der Netzbildner,
2 Leistungsstatiken für einen Wechselrichter für den Fall einer induktiven Kopplung,
3 eine Verdeutlichung der Anwendung von rotierenden Statikregelungen als Einfluss von Wirk- und Blindleistung auf Spannung und Frequenz bei unterschiedlichen Verhältnis der Leistungsimpedanz: a) R/X = 0, b) R/X = 1, c) X/R = 0,
4 eine schematische Darstellung einer Regelstruktur gemäß der Erfindung,
5 ein beispielhafter Verlauf von Polstellen unter einer Variation der Werte von f₁₃ und der Leitungslänge d,
6 eine schematische Darstellung einer Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockschaltbild und
7 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Für die Erläuterung der Erfindung, die der Verbesserung der Funktionalität im Niederspannungsnetz dient, folgt eine Beschreibung der Leistungsregelung von Netzbildnern im Zustandsraum. Ausgangspunkt dafür ist als Regelstrecke die Beschreibung der Leistungsflüsse in Abhängigkeit von der Spannungs- und Winkeldifferenz zwischen zwei Spannungsquellen, die über eine Koppelimpedanz miteinander verbunden sind (siehe auch 1). Darauf aufbauend lässt sich das linearisierte Übertragungsverhalten von U, f auf die Ausgangsgrößen P, Q wie folgt aufstellen:
Dabei sind ΔU und Δf die Abweichungen der Ist-Werte der Netz-Spannung U und der Netz-Frequenz f von den Sollwerten, sind L die Induktivität und R der ohmsche Widerstand der Koppelimpedanz und ist U₁ die Ausgangsspannung des Wechselrichters. Dabei ist s die Laplace-Variable bzw. der Laplace-Faktor der Laplace-Transformation.
Darin ist die sogenannte „dynamic phasor”-Darstellung von Strom und Spannung enthalten, um eine genaue Nachbildung des Einschwingvorgangs zu erhalten. Wie man sieht, liegt aufgrund der Querkopplung ein Mehrgrößensystem vor.
Anschließend wird die Übertragungsmatrix in den Zustandsraum mittels minimaler Realisierung überführt, d. h. nur der beobachtbare und steuerbare Teil wird durch die Kalmanzerlegung als Systembeschreibung gewonnen.
Insgesamt wird dies realisiert durch eine erfindungsgemäße Regelstruktur, wie sie z. B. 4 zeigt.
Für die Regelungsaufgabe sei zunächst angenommen, dass die Sollwerte gleich Null sind. Im Rahmen einer Sekundärregelung werden diese Sollwerte anschließend angepasst.
Die Störgrößen ergeben sich durch Abweichungen der Netz-Frequenz f und der Netz-Spannung von den Soll- oder Nominalwerten (z. B. 50 Hz und 230 V): ΔU und Δf.
Geregelt werden die Differenzen zwischen den Spannungsquellen (also zwischen dem zu regelnden Wechselrichter und dem bereits bestehenden Spannungsnetz): ΔU und Δf. Aus den Differenzen und der Regelstrecke ergeben sich die Ausgangs-Leistung P und Ausgangs-Blindleistung Q des zu regelnden Wechselrichters.
Für die Regelung werden – insbesondere nur – drei Zustandsgrößen: Leistung, Blindleistung und zeitliche Änderung der Blindleistung herangezogen. Die zeitliche Änderung der Leistung wird somit nicht verwendet bzw. wird missachtet. Die drei Parameter werden dabei als Vektor zusammengefasst und einer sechs Parameter aufweisenden Rückführungsmatrix F zugeführt, um für die Regelung Verwendung zu finden.
Der Regler stellt die Spannungsabweichungen und die Frequenzabweichungen und regelt so Leistung und Blindleistung des Wechselrichters.
Für die Regelung wird somit neben den beiden Ausgangsgrößen P und Q die zusätzliche Zustandsgröße Q . verwendet.
Der Zustand der zeitlichen Änderung der Blindleistung wird in einer Ausgestaltung durch Differentiation der Blindleistung ermittelt.
Alternativ wird für die Ermittlung des Ist-Werts der zeitlichen Änderung der Blindleistung ein Zustandsbeobachter verwendet. Unter einem Zustandsbeobachter versteht man dabei in der Regelungstechnik ein System, das aus bekannten Eingangsgrößen (z. B. Stellgrößen oder messbaren Störgrößen) und Ausgangsgrößen (Messgrößen) eines beobachteten Referenzsystems – insbesondere nicht messbare – Größen (Zustände) rekonstruiert. Hierfür bildet der Beobachter das beobachtete System als Modell nach, wobei ein Regler die nicht gemessenen Zustandsgrößen nachführt.
Durch eine gezielte Zustandsrückführung der drei Zustände (P, Q und Q .) kann die gewünschte Regelgüte eingestellt werden. Dazu stehen die sechs Parameter (f₁₁ bis f₂₃) der Rückführungsmatrix F zur Verfügung, um die Eigenwerte des geregelten Systems so zu platzieren, dass das optimale Verhalten erreicht wird.
Die Rückführmatrix F wird dabei auf einen Vektor mit den drei Ausgangsgrößen: Ausgangs-Leistung P, Ausgangs-Blindleistung Q und zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung Q . in der vorgenannten Reihenfolge angewendet, um die Stellgrößen U_st und f_st als erste bzw. zweite Komponente eines Vektors zu erhalten. Aus den drei Ausgangsgrößen werden somit zwei Stellgrößen ermittelt.
Als Gütekriterium für die Regelung sollen einerseits die Stabilität sowie eine gute Dynamik und andererseits die Eliminierung der Quereinflüsse und die Einhaltung der Leistungsaufteilung abhängig zur Statikkennlinie im stationären Fall eingehalten werden.
Ausgehend von diesen Forderungen lassen sich gewisse Vorschriften für die jeweiligen Parameter ableiten, um das gewünschte Regelverhalten zu erzielen:
Die vier Parameter f₁₁, f₂₂, f₂₁ und f₁₂ (die mit der Ausgangs-Leistung P sowie der Ausgangs-Blindleistung Q verrechnet werden) legen das stationäre Verhalten fest und lassen sich aus dem stationären Zustand des geschlossenen Regelkreises entsprechend der Bedingungen gewinnen. Dabei wird sich die Ausgangs-Leistung P über den Parameter f₁₁ auf die einzustellende Spannung und über den Parameter f₂₁ auf die einzustellende Frequenz aus. Entsprechend ist die Spannung U über den Parameter f₁₂ mit der Ausgangs-Blindleistung Q verbunden. Der Parameter f₂₂ beschreibt schließlich die Auswirkung der Ausgangs-Blindleistung Q auf die Stellgröße der Frequenz f.
Die Parameter f₂₃ und f₁₃ (die mit dem aktuellen Wert der zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung Q . verrechnet werden) ergeben sich aus der Vorgabe, dass der Imaginärteil der Pole des geschlossenen Regelkreises Null sein soll. Hierbei wirkt sich die zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung Q . über den Parameter f₁₃ auf die einzustellende Spannungsamplitude U bzw. in der Abbildung U_st aus. Entsprechend wirkt sich die zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung Q . über den Parameter f₂₃ auf die zu stellende Frequenz f bzw. f_st aus.
Für die Herleitung der obigen Zusammenhänge wurden die Messverzögerungen und die Messfilter vernachlässigt. Daher ist diesbezüglich eine Nachjustierung an die gegebenen Bedingungen vorzusehen.
Hierin stellen die Größen R und L die ohmschen bzw. induktiven Anteile der Koppelimpedanz zum gemeinsamen Anschlusspunkt (engl. „Point of Common Coupling” FCC bzw. in der 1 U₂) dar. Dabei ist U₁ die Ausgangsspannung des Wechselrichters und ist ω = 2·π·f eine Kreisfrequenz zur Netz-Frequenz f.
Es ist zu beachten, dass die Verzögerung bei der Erfassung der Ausgangsgrößen P, Q in der Modellierung, wie sie in der 4 dargestellt ist, vernachlässigt wird.
In der Realität ergibt sich aufgrund der Filterung eine effektive Verzögerung von etwas mehr als 20 ms, die z. B. mit einem PT1-Glied approximiert werden kann. Dies hat zwar keinen Einfluss auf die Quereinflüsse, da diese für den stationären Fall eliminiert werden sollen. Gleichzeitig bedeutet dies für die Dynamik und Stabilität, dass bei der Auslegung der Werte für f₁₃ und f₂₃ nach der obigen Vorschrift nicht zwingend das optimale Verhalten vorliegen muss. Eine Neujustierung dieser Parameter unter den Gegebenheiten kann daher erforderlich werden.
Dabei erhöht eine Einbringung der Verzögerung in die Regelstruktur von 4 die Ordnung des Systems auf sechs, sodass eine analytische Anpassung der Parameter f₁₃ und f₂₃ unter der Gegebenheit von Verzögerungen nur unter sehr günstigen Umständen durchführbar ist. Daher kann für diesen Fall die Anpassung der Parameter nur qualitativ aus dem Verlauf der Wurzelortskurven durchgeführt werden. Eine mathematische Vorschrift für die optimale Auslegung der Parameter mit Berücksichtigung der Messverzögerung lässt sich nicht ableiten.
In der 5 ist der Verlauf der Polstellen unter Variation von f₁₃ und der Leitungslänge d (gemessen in km) der Leitungen zwischen dem zu regelnden Wechselrichter und dem Spannungsnetz exemplarisch gemäß folgender Beziehung dargestellt:
Es wird deutlich, dass das System mit zunehmendem f₁₃ stabilisiert werden kann, da die Pole in die linke Halbebene wandern.
Andererseits muss berücksichtigt werden, dass der Wert von f₁₃ nicht beliebig groß gewählt werden sollte, weil dieser Parameter die Ableitung der Blindleistung – also die zeitliche Änderung der Blindleistung – verwertet und das Rauschen durch die Differentiation zusätzlich verstärkt wird.
Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass eine zu kleine Entkopplungs-Impedanz zwischen den Spannungsquellen sich negativ auf die Stabilität auswirkt.
Nimmt dagegen der ohmsche Anteil (R) im Vergleich zum induktiven Anteil (L) der Koppelimpedanz zu große Werte an, so wandern die Pole ebenfalls in die rechte Halbebene und das System verliert die Stabilität. Der Grund für dieses Verhalten ist, dass die konventionellen Statiken bei nahezu ohmscher Kopplung ihre Gültigkeit verlieren und sich die Verhältnisse der Stellgrößen U, f auf die Ausgangsgrößen P, Q umkehren.
Die Erfindung ermöglicht somit auch die Optimierung des Systems aus Wechselrichter und Spannungs-Netz, indem ausgehend von den Einträgen der Rückführmatrix die Stabilität erhöht wird.
Da in den Werten für die Rückführmatrix F die Werte (also Real- und Imaginärteil) der Koppelimpedanz einfließen, ist deren genaue Bestimmung notwendig. Speziell in den Faktoren, die für die definierte Blindleistungsaufteilung verantwortlich sind (f₁₁, f₁₂), steht deshalb eine genaue Kenntnis der Koppelimpedanz im direkten Zusammenhang zur optimalen Blindleistungsaufteilung. Ein Fehler in der Impedanzbestimmung wirkt sich daher im gleichen Maße auf die Blindleistungsaufteilung aus. Die Robustheit in Bezug auf die Blindleistungsaufteilung kann daher aus der Genauigkeit der Impedanzwerte abgeleitet werden.
Auch auf die Dynamik und Stabilität wird eine ungenaue bzw. fehlerhafte Impedanzbestimmung die Robustheit beeinträchtigen, wobei in dieser Hinsicht der Einfluss als gering eingeschätzt wird. Eine vordergründige Rolle spielt daher die dynamische Bestimmung der Zustände. Besonders durch die Differentiation von Q treten sämtliche Störungen oder (Ein)schwingungen in Q . verstärkt auf.
In einer Ausgestaltung wird daher eine Filterung vorgenommen, die sowohl die störenden Anteile herausfiltert als auch nur eine geringe Verzögerung benötigt.
Die Parameter der Rückführung setzen sich neben den Impedanzwerten auch aus der Inverterspannung U₁ als Ausgangsspannung des Wechselrichters zusammen. Da die Inverterspannung durch den Regelprozess angepasst wird, wird diese in einer Ausgestaltung variabel vorgegeben und nicht fest auf den nominalen Wert gesetzt.
Auch die Impedanzwerte fließen in einer Ausgestaltung adaptiv in die Regelparameter ein, damit die Werte laufend an die geänderte Netzsituation angepasst werden.
Für die Bestimmung von Q . wird in einer Ausgestaltung die Differentiation der Ausgangs-Blindleistung Q mit entsprechender Filterung verwendet.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der gesamtheitlichen Behandlung des Regelproblems. Durch eine kompakte mathematische Beschreibung werden alle relevanten Systemeffekte im Zustandsraum abgebildet, sodass anhand der Parameter f₁₁ bis f₂₃ einerseits die Behandlung der Querkoppeleinflüsse als auch die der transienten Vorgänge gelingt.
Da die Verzögerung bei der Erfassung der Zustandsgrößen zur analytischen Herleitung vernachlässigt wird, ist die obige Vorschrift für die Parameter f₂₃ und f₁₃ nicht optimal.
Wichtig bleibt die Bestimmung der Koppelimpedanz. Physikalisch ist diese Größe für bestimmt Netztopologien nicht klar definiert (bzw. es ergeben sich Unterschiede im transienten zum stationären Fall).
Neu im Gegensatz zur Kompensation der Zuleitungseinflüsse, die die induktive Kopplung darstellen, gemäß dem Stand der Technik (siehe z. B. das oben genannte Dokument von J. Quesada et al.) sind die zusätzlichen Parameter f₂₃ und f₁₃ als Rückführung des dynamischen Verhaltens der Ausgangs-Blindleistung Q . mit Wirkung auf die Stellgrößen Netz-Frequenz f und Netz-Spannung U zur Behandlung des transienten Verhaltens.
Im Gegensatz zum Ansatz im oben genannten Artikel von Mohamed und El-Saadany wird lediglich die zeitliche Änderung des Ausgangs-Blindleistung verwendet, um das gesamte transiente Verhalten zu bestimmen. Hinzu kommt, dass die Kompensation der Leitungseinflüsse außenvorbleibt.
Insgesamt kann das Verfahren der Zustandsregelung als Kombination aus der Kompensation der Leitungseinflüsse mit der vollständigen transienten Behandlung verstanden werden.
In den Abbildungen 6 und 7 wird die Erfindung noch einmal erläutert.
Die 6 zeigt schematisch einen zu regelnden Wechselrichter 10, der über eine Koppelimpedanz 11 mit einem Spannungs-Netz 12 verbunden ist. Die Koppelimpedanz 11 ergibt sich beispielsweise allein schon durch die Leitungen, über die der Wechselrichter 10 mit dem Netz 12 verbunden ist. Hierfür ist hier beispielhaft die Länge d zwischen dem Wechselrichter 10 und dem Netz 12 eingetragen, so dass deutlich wird, dass mit wachsender Länge der Leitungen auch der ohmsche Widerstand zunimmt (vgl. 5 und die obige Beschreibung).
Das Spannungs-Netz 12 ist beispielsweise ein sogenanntes Microgrid, das sich aus weiteren – hier nicht dargestellten – Wechselrichtern bzw. zugeordneten Spannungsquellen ergibt.
Der Wechselrichter 10 hat dabei eine Ausgangsspannung U₁ und das Spannungs-Netz 12 die Ausgangsspannung U₂ (vgl. 1). Ziel ist es beispielsweise, dass die Netz-Spannung U gleich einer Nennspannung UN, die beispielsweise 230 V beträgt, und dass die Netz-Frequenz f gleich einer Nennfrequenz f_N (z. B. 50 Hz) ist. Dabei ist das generelle Ziel ein stabiler Betrieb.
Um dies zu erzielen, wird der Wechselrichter 10 erfindungsgemäß geregelt. Für die Regelung wird ausgenutzt, dass die Leistung P, die der Wechselrichter 10 an das Netz abgibt, mit der Netz-Frequenz zusammenhängt, und dass die Blindleistung Q und die Netz-Spannung funktional miteinander verknüpft sind.
Diese funktionale Verbindung wird über die Statiken realisiert (vgl. 2): f = f_N – st₁·P mit st₁ = Δf_N/P_N und U = U_N – st₂·Q mit st₂ = ΔU_N/Q_N.
Für die Regelung werden daher der erfindungsgemäßen Regel-Vorrichtung 1 die Ist-Werte der Ausgangs-Leistung P sowie der Ausgangs-Blindleistung Q des Wechselrichters 10 zugeführt und über dessen Eingang 2 empfangen.
Das Besondere besteht dabei darin, dass die Einstellvorrichtung 3 für die Regelung nicht nur die zwei einzustellenden Größen P und Q, sondern zusätzlich noch die zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung Q, d. h. also Q . als dritten Zustand heranzieht. Ein weiterer Zustand – wie z. B. die Ableitung der Ausgangs-Leistung – ist dabei nicht erforderlich und wird von der Vorrichtung 1 auch nicht verwendet.
Ausgehend von den drei Zuständen, die insgesamt als Vektor beschrieben werden können, und der Rückführungsmatrix F, die oben definiert worden ist, sowie dem Wert der Koppelimpedanz, ermittelt die Einstellvorrichtung 3 ein Stellsignal S, um auf den Wechselrichter 10 einwirken zu können. Das Stellsignal S wird dabei über den Ausgang 4 ausgegeben.
Die zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung Q . ergibt sich dabei in einer Variante durch die Differentiation der Ausgangs-Blindleistung Q und wird in der gezeigten Ausgestaltung durch einen Zustandsbeobachter 5 ermittelt. Dies ist daher eine Alternative für das Bilden der Ableitung der Ausgangs-Blindleistung Q.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand des beispielhaften Ablaufdiagramms in der 7 noch einmal erläutert.
Im Schritt 100 wird die erste Statik für die Abhängigkeit zwischen der Netz-Frequenz f und der Ausgangs-Leistung P vorgegeben.
Im Schritt 101 wird die entsprechende zweite Statik für den Zusammenhang zwischen der Netz-Spannung U und der Ausgangs-Blindleistung Q vorgegeben.
Im Schritt 102 wird der Wert der Koppelimpedanz zwischen dem zu regelnden Wechselrichter und dem restlichen Spannungs-Netz ermittelt.
Im Schritt 103 wird der Ist-Wert der Ausgangs-Leistung P ermittelt.
Im Schritt 104 erfolgt die Ermittlung des Ist-Werts der Ausgangs-Blindleistung Q.
Im Schritt 105 wird der Ist-Wert – also der aktuelle Wert – der zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung ermittelt. Dies geschieht beispielsweise durch die Differentiation der Ausgangs-Blindleistung.
Ausgehend von den in den Schritten 103 bis 105 ermittelten Werten und ausgehend von einer die Zusammenhänge und Abhängigkeiten beschreibenden Rückführmatrix F werden im Schritt 106 die erforderlichen Daten ermittelt, um passend auf den Wechselrichter einwirken zu können. Hierfür werden in einer Ausgestaltung alle erforderlichen Werte berechnet und wird in einer alternativen Ausgestaltung auf einen Datenspeicher mit vorhandenen Werten oder Wertepaaren zugegriffen.
Im Schritt 107 findet die Einwirkung auf den Wechselrichter statt, so dass dessen Leistung und Blindleistung passend verändert werden.
Nach dem Schritt 107 erfolgt dann der Rücksprung zum Schritt 102.
In einer weiteren Ausgestaltung wird auch die Ausgangsspannung U₁ des Wechselrichters gemessen und in die Regelung einbezogen.
Die Erfindung sei noch einmal mit anderen Worten zusammengefasst:
Durch die gesamtheitliche Betrachtung des Regelproblems im Zustandsraum stehen im Rahmen der Zustandsrückführung sechs Parameter zur vollständigen Behandlung des Systemverhaltens zur Verfügung. Neben den stationären Vorgaben wie definierte Blindleistungsaufteilung können damit auch die transienten Vorgänge gezielt behandelt werden.
Die Erfindung zeichnet sich daher dadurch aus, dass es zum einen die Kompensation der Leitungseinflüsse und zum anderen auch die Behandlung des transienten Vorgangs miteinander vereint.
Die einzelnen Parameter wurden zunächst so ausgelegt, dass die Beziehungen der konventionellen Statiken (f₁₂, f₂₁) erhalten bleiben und die weiteren Freiheitsgrade zur Umsetzung der gewünschten stationären Leistungsaufteilung (f₁₁, f₂₂) und der transienten Vorgänge (f₁₃, f₂₃) genutzt werden.
Alternativ werden die aus dem Stand der Technik bekannten rotierten Statiken integriert. Damit kann eine weitere Verbesserung der Stabilität erzielt werden.
In einer Ausgestaltung ist eine Momentanreserve in Form eines Energiespeichers vorgesehen.
Eine Anwendung der Erfindung bezieht sich auf feste bzw. mobile Batterieumrichter als USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) bzw. für den Bereich der Elektromobilität. Eine weitere Anwendung bezieht sich auf Photovoltaikanlagen, vorzugsweise mit einem ergänzenden Batteriespeicher. Weitere Anwendungen sind Windkraftanlagen oder Blockheizkraftwerke.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10140783 A1 [0030]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Matas, J. et al. „Virtual Impedance Loop for Droop-Controlled Single-Phase Parallel Inverters Using a Second-Order General-Integrator Scheme”, IEEE Transactions on Power Electronics, S. 2993–3002, 2010 [0016]
De Brabandere, K. et al., „A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters”, IEEE Transactions on Power Electronics, S. 1107–1115, 2007 [0024]
Markus Jostock, „Stabilität wechselrichtergeführter Inselnetze: Regelungstechnische Modellierung und Dynamikanalyse des parallelen Statikbetriebs”, 2013 [0025]
J. Quesada et al., ”Control of inverters in a low voltage microgrid with distributed battery energy storage. Part I: Primary control”, Electric Power Systems Research, S. 126–135, 2013 [0027]
Guerrero, J. M. et al., „A wireless controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems”, IEEE Transactions on Power Electronics, S. 1205–1213, 2004 [0028]
Mohamed, Y. A.-R. I. und EI-Saadany, E. F., ”Adaptive Decentralized Droop Controller to Preserve Power Sharing Stability of Paralleled Inverters in Distributed Generation Microgrids”, IEEE Transactions on Power Electronics, S. 2806–2816, 2008 [0031]
Dokument von J. Quesada et al. [0111]
Artikel von Mohamed und El-Saadany [0112]

Claims

Vorrichtung (1) zur Regelung eines Wechselrichters (10), mit einem Eingang (2), mit einer Einstellvorrichtung (3) und mit einem Ausgang (4), wobei der Eingang (2) derartig ausgestaltet ist, einen Ist-Wert einer Ausgangs-Leistung (P) des Wechselrichters (10) und einen Ist-Wert einer Ausgangs-Blindleistung (Q) des Wechselrichters (10) zu empfangen, wobei die Einstellvorrichtung (3) derartig ausgestaltet ist, ausgehend von dem Ist-Wert der Ausgangs-Leistung (P), dem Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung (Q) und einem Ist-Wert einer zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q .) ein Stellsignal (S) zu ermitteln und wobei der Ausgang (4) derartig ausgestaltet ist, das Stellsignal (S) für die Regelung des Wechselrichters (10) auszugeben.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Einstellvorrichtung (3) derartig ausgestaltet ist, einen Wert (Z) einer Koppelimpedanz (11), über die der Wechselrichter (10) mit einem Spannungs-Netz (12) verbunden ist, für die Ermittlung des Stellsignals (S) zu verwenden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einstellvorrichtung (3) derartig ausgestaltet ist, Nennwerte (f_N, U_N) für die Netz-Frequenz (f) und die Netz-Spannung (U) für die Ermittlung des Stellsignals (S) zu verwenden, wobei die Einstellvorrichtung (3) derartig ausgestaltet ist, für die Ermittlung des Stellsignals (S) eine Rückführmatrix (F) auf einen Vektor mit Einträgen für den Ist-Wert der Ausgangs-Leistung (P), den Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung (Q) und den Ist-Wert der zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q .) anzuwenden, wobei die Rückführmatrix (F) drei Spalten und zwei Zeilen und folgende Form aufweist:
wobei die Elemente der Rückführmatrix (F) folgende Werte aufweisen:
wobei R der ohmsche Anteil und L der induktive Anteil der Koppelimpedanz (11) ist, wobei U₁ die Ausgangsspannung des Wechselrichters (10) ist, wobei st₁ ein erster Statikfaktor ist, der ein lineares Verhältnis zwischen einer Netz-Frequenz (f) und der Ausgangs-Leistung (P) beschreibt, wobei st₂ ein zweiter Statikfaktor ist, der ein lineares Verhältnis zwischen einer Netz-Spannung (U) und der Ausgangs-Blindleistung (Q) beschreibt, und wobei ω eine Kreisfrequenz zur Netz-Frequenz (f) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einstellvorrichtung (3) derartig ausgestaltet ist, den Ist-Wert der zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q .) aus dem Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung (Q) des Wechselrichters (10) über Differentiation zu ermitteln, oder wobei die Einstellvorrichtung (3) derartig ausgestaltet ist, den Ist-Wert der zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q .) über einen Zustandsbeobachter (5) zu ermitteln.
Verfahren zum Regeln eines Wechselrichters (10), wobei eine Ausgangs-Leistung (P) und eine Ausgangs-Blindleistung (Q) des Wechselrichters (10) geregelt werden, und wobei für die Regelung ein Ist-Wert der Ausgangs-Leistung (P), ein Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung (Q) und ein Ist-Wert einer zeitlichen Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q .) als Regelgrößen herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei für die Regelung nur die drei Zustände Ausgangs-Leistung (P), Ausgangs-Blindleistung (Q) und zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q .) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Wert (Z) einer Koppelimpedanz (11) ermittelt wird, über die der Wechselrichter (10) mit einem Spannungs-Netz (12) verbunden ist, und wobei für die Regelung der ermittelte Wert (Z) der Koppelimpedanz (11) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei eine erste Statik für eine Abhängigkeit zwischen einer Netz-Frequenz (f) und der Ausgangs-Leistung (P) vorgegeben wird, wobei eine zweite Statik für eine Abhängigkeit zwischen einer Netz-Spannung (U) und der Ausgangs-Blindleistung (Q) vorgegeben wird, wobei ein Nennwert (f_N) für die Netz-Frequenz (f) vorgegeben werden, wobei ein Nennwert (U_N) für die Netz-Spannung (U) vorgegeben wird, und wobei für die Regelung die erste Statik, die zweite Statik und der Nennwert (f_N) für die Netz-Frequenz (f) und der Nennwert (U_N) für die Netz-Spannung (U) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein erster Statikfaktor (st₁) für ein lineares Verhältnis zwischen der Netz-Frequenz (f) und der Ausgangs-Leistung (P) vorgegeben wird, wobei ein zweiter Statikfaktor (st₂) für ein lineares Verhältnis zwischen der Netz-Spannung (U) und der Ausgangs-Blindleistung (Q) vorgegeben wird, wobei für die Regelung eine Rückführmatrix (F) verwendet wird, wobei die Rückführmatrix (F) auf einen Vektor mit Einträgen für den Ist-Wert der Ausgangs-Leistung (P), den Ist-Wert der Ausgangs-Blindleistung (Q) und den Ist-Wert der zeitliche Änderung der Ausgangs-Blindleistung (Q .) angewendet wird, und wobei die Rückführmatrix (F) drei Spalten und zwei Zeilen aufweist und folgende Form aufweist:
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Elemente der Rückführmatrix (F) folgende Werte aufweisen:
wobei R der ohmsche Anteil und L der induktive Anteil der Koppelimpedanz (11) ist, wobei U₁ die Ausgangsspannung des Wechselrichters (10) ist, und wobei ω eine Kreisfrequenz zur Netz-Frequenz (f) ist.