DE102017128555A1

DE102017128555A1 - Netzrückwirkungsminimierende Transformatorschaltung

Info

Publication number: DE102017128555A1
Application number: DE102017128555.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Roggendorf
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-06-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer netzrückwirkungsminimierenden Transformatorschaltung (100), welche einen Transformator (101) mit mehreren, zueinander phasenverschobenen Sekundärspulen (112, 122, 132, 142, 152) aufweist, wobei an jede Sekundärspule (112, 122, 132, 142, 152) jeweils ein aktiver Gleichrichter angeschlossen wird, und wobei durch jeden aktiven Gleichrichter mittels steuerbarer leistungselektronischer Halbleiterschaltungen ein Auftreten schaltharmonischer Störungen minimiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bereitstellen einer netzrückwirkungsminimierenden Transformatorschaltung. Ferner wird ein das Verfahren und das System verwendender Ladepark beansprucht.
Ladeparks dienen mit mehreren Anschlussstellen einer auch gleichzeitigen Aufladung von mehreren Elektrofahrzeugen. Während zur Aufladung eine hohe Gleichspannung, bspw. zwischen 200 V und 950 V, benötigt wird, erfolgt eine Stromversorgung des Ladeparks gemeinhin mit Wechselspannung aus einem Mittelspannungsnetz eines Netzbetreibers. Um eine Umwandlung von Wechsel- zu Gleichspannung zu erreichen, werden Transformatoren und Gleichrichter herangezogen, wobei bei Verwendung leistungselektronischer Komponenten Schaltharmonische mit hohen Energiedichten auftreten können, die eine Rückwirkung auf das zur Stromversorgung herangezogene Mittelspannungsnetz besitzen. Damit Betriebsmittel im Netz oder anderweitige Netzabnehmer nicht in ihrer Funktion gestört werden, sind durch einen jeweiligen Netzbetreiber erlassene Vorgaben hinsichtlich der maximal zulässigen Netzrückwirkungen durch Netzabnehmer einzuhalten. Bspw. kann eine Vorgabe sein, eine sogenannte THD, abgekürzt für total harmonic distortion, von 5% nicht zu überschreiten. Die THD ist in diesem Zusammenhang definiert als das Verhältnis von summierten Strömen oder Spannungen aller von einem Netzabnehmer verursachten und auf das Mittelspannungsnetz rückwirkenden Oberschwingungen zu Strom bzw. Spannung einer Grundschwingung des Mittelspannungsnetzes. Darüber hinaus hat ein Netzbetreiber das Recht, bei Anschluss höherer Leistungen an das Mittelspannungsnetz eine Neubewertung der maximal zulässigen Netzrückwirkung vorzunehmen. Unter Umständen kann so in einem lokalen Bereich, innerhalb dessen sich auch ein Ladepark befinden kann, eine deutliche Unterschreitung der gemeinhin üblichen 5% THD gefordert sein.
Der Stand der Technik sieht zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze zur Reduzierung von Netzrückwirkungen durch Gleichrichter vor. Zum einen werden passive Gleichrichter mit einer höheren Pulszahl aufgebaut, um somit gezielt bestimmte Schaltharmonische zu reduzieren. Zum anderen reduzieren aktive Gleichrichter durch entsprechende elektronische Ansteuerung der Leistungshalbleiter im Zusammenspiel mit Netzfiltern Schaltharmonische im relevanten spektralen Bereich der THD. Von beiden Ansätzen wird die geringste THD dabei durch aktive Gleichrichter erreicht. Allerdings sind dabei auch bei der Auslegung der resultierenden THD die Filter entsprechend auszulegen, so dass aus Kostengründen meist auf Standardgrenzwerte, bspw. die voranstehend genannten 5% THD, ausgelegt wird.
Beispielhafte technische Realisierung zu Komponenten eines Ladeparks oder der Wechselspannungs-/Gleichspannungsumwandlung finden sich in den folgenden Druckschriften:
Die Druckschrift US 2010 244 773 A offenbart ein einstufiges Ladesystem aus einem Hochfrequenz-Verbindungselement und einem Matrix-Umrichter. Das Hochfrequenz-Verbindungselement wird angetrieben von einem Hochfrequenz-Isoliertransformator und einem Vollbrücken-Gleichstromsteller, bzw. Gleichrichter. Ein Schalten des Umrichters erfolgt hierbei in einem sinusförmigen modulierten Betriebszyklus. So soll ein Ladebetrieb mit einem Leistungsfaktor eins und einer geringen gesamtharmonischen Verzerrung ermöglicht werden. Eine wechselstromseitige Netzeingangsspannung ist hierzu in Phase mit einem Netzeingangsstrom.
In der Druckschrift US 2012 113 700 A werden verschiedene elektrische Wandler bzw. Stromrichter erörtert, welche in der Lage sind, Energie von einer Wechselstromschnittstelle an eine Gleichstrom-Schnittstelle mit niedriger gesamtharmonischer Störung an der Wechselstromschnittstelle zu liefern. Hierzu wird ein auf einer gewünschten Ausgangsspannung an der Gleichstromschnittstelle und auf einer gemessenen Spannung an der Gleichstromschnittstelle basierendes Schema einer Regelung mit Störgrößenaufschaltung benutzt, um eine Eingangsspannungsreferenz für die Eingangsspannung an der Wechselstrom-Schnittstelle zu bestimmen. Weiterhin wird ein Steuerwert einer Pulsweitenmodulationsaussteuerung, kurz PWM-Aussteuerung, für das Betreiben des elektrischen Wandlers bestimmt, der auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz gegenüber der gemessenen Spannung an der Gleichstromschnittstelle basiert. In einer Ausführungsform entspricht die gemessene Spannung einem Momentan-Wert der Spannung an der Gleichstromschnittstelle, wobei der Steuerwert der PWM-Aussteuerung einen Betrieb des elektrischen Wandlers während eines nachfolgenden PWM-Zyklus regelt. Auf diese Weise sollen harmonische Komponenten einer gemessenen momentanen Gleichstromspannung an der Gleichstromschnittstelle effektiv die gesamtharmonische Störung an der Wechselstromschnittstelle modulieren.
Ein Ladesystem bestehend aus einem Transformator mit mehreren, phasenverschobenen Sekundärspulen, an denen wiederum Gleichrichter und nachfolgend Gleichspannungswandler angeschlossen sind, wird in der Druckschrift US 2013 020 989 offenbart. Durch eine unterschiedliche Windungszahl in den jeweiligen Sekundärspulen wird ein jeweilig anderer Phasenwinkel zum Netzeingangsstrom erreicht.
Um eine jeweilige Netzbetreiber-Vorgabe der maximal erlaubten harmonischen Störung in einem jeweiligen lokalen Bereich des Mittelspannungsnetzes einzuhalten, sieht der Stand der Technik bislang lediglich eine auf die jeweilige Vorgabe bezogene Dimensionierung der im Ladepark verbauten elektronischen Geräte wie Wandler oder Gleichrichter vor. Da es jedoch einem Netzbetreiber erlaubt ist, ggfs. eine jeweilige lokale Vorgabe zu verschärfen, bleibt gemäß dem Stand der Technik nur eine Nachrüstung der Geräte oder eine von vornherein überdimensionierte Ausstattung.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu einem Betreiben eines Ladeparks bereitzustellen, bei dem eine Netzrückwirkung minimiert ist, ohne elektronische Bauelemente bei Änderung der Vorgaben zur harmonischen Störung, insbesondere bei einer Verschärfung, nachträglich anpassen oder überdimensionieren zu müssen. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens, und einen das Verfahren und das System verwendenden Ladepark bereitzustellen.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer netzrückwirkungsminimierenden Transformatorschaltung beansprucht, welche einen Transformator mit mehreren, zueinander phasenverschobenen Sekundärspulen aufweist, wobei an jede Sekundärspule jeweils ein aktiver Gleichrichter angeschlossen wird, und wobei durch jeden aktiven Gleichrichter mittels steuerbarer leistungselektronischer Halbleiterschaltungen ein Auftreten schaltharmonischer Störungen minimiert wird.
Eine Auslegung des Transformators mit mehreren Sekundärspulen und daran angeschlossenen aktiven Gleichrichtern stellt einen passiven Ansatz dar, um eine mögliche Netzrückwirkung durch schaltharmonische Störungen der Gleichrichter zu reduzieren. Demgegenüber bildet die Gestaltung der Gleichrichter als aktive Gleichrichter einen aktiven Ansatz, bei dem die leistungselektronischen Halbleiterschalter geeignet geschaltet werden, um schaltharmonische Störungen in einem vom Netzbetreiber vorgegebenen spektralen Bereich der THD zu minimieren.
Bei einem aktiven Gleichrichter werden die leistungselektronischen Halbleiterschalter bspw. durch eine Steuereinheit geschaltet. Dabei werden bspw. zu je einem zeitlich nächsten Schaltvorgang verschiedene Schalterstellungen ermittelt, welche eine gewünschte Ausgangsspannung zur Folge haben. Realisiert wird dann diejenige Schalterstellung, deren Verzerrungsspektrum eine geringste Energiedichte im relevanten Spektralbereich aufweist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die aktiven Gleichrichter synchron getaktet. Die Ansteuerung der jeweiligen aktiven Gleichrichter erfolgt damit gleichzeitig. Es ist denkbar, ein jeweiliges Verzerrungsspektrum für den jeweiligen Gleichrichter gesondert zu minimieren und die jeweilig zugehörige Schalterstellung synchron in den aktiven Gleichrichtern zu realisieren. Darüber hinaus ist es denkbar, weitere möglicherweise verbaute leistungselektronische Bauelemente, wie bspw. einen Gleichspannungswandler, der ebenfalls aus leistungselektronischen Halbleiterschaltern bestehen kann, synchron mit den aktiven Gleichrichtern zu schalten.
In weiterer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein jeweiliger aktiver Gleichrichter und ein von dem jeweiligen aktiven Gleichrichter umfasster Filter auf einen von einem Netzbetreiber vorbestimmten Standardgrenzwert zu einer Netzrückwirkung ausgelegt. Gemeinhin wird von Netzbetreibern ein Standardgrenzwert für eine THD von bspw. 5% angegeben, worauf die verbaute elektronischen Bauelemente auch ausgelegt werden. Der Umstand, dass ein Netzbetreiber in einem lokalen Bereich, in dem bspw. eine höhere Leistungsentnahme aus dem Mittelspannungsnetz auftritt, den Grenzwert nach unten verändern kann, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgefangen, in dem die nun möglicherweise zu hohe THD der auf den ursprünglichen Standartgrenzwert ausgelegten aktiven Gleichrichter, durch das passive Konzept des Anschlusses an eine jeweilige Sekundärspule des Transformators kompensiert wird.
Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass dies durch die Kombination aus einem aktiven Ansatz, den aktiven Gleichrichtern, und einem passiven Ansatz, dem mit einer Mehrzahl an Sekundärspulen ausgestattetem Transformator, umgesetzt wird. Dadurch wird eine vorsorgliche Überdimensionierung der aktiven Gleichrichter hinsichtlich der zu begrenzenden THD vermieden, was zu Kosteneinsparungen führt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Leistungselektronikmodul, welches einen an eine Sekundärspule des Transformators angeschlossenen Gleichrichter umfasst, dazu ausgelegt, ein Elektrofahrzeug aufzuladen. Das Leistungselektronikmodul muss bspw. hierzu Ladespannungen zwischen 200 V und 950 V zur Verfügung stellen. Es ist denkbar, auch eine Option für eine Ladespannung von 800 V oder eine andere als zukünftig zur Wahl stehende mögliche Ladespannung anzubieten.
Ferner wird ein System zu einer netzrückwirkungsminimierenden Transformatorschaltung beansprucht, welches einen Transformator, der eine Primärspule und eine Mehrzahl an Sekundärspulen aufweist, jeweils einen an eine Sekundärspule angeschlossenen aktiven Gleichrichter, und eine Steuereinheit zum Ansteuern von Halbleiterschaltern der aktiven Gleichrichter umfasst, wobei das System dazu ausgelegt ist, ein voranstehend beschriebenes Verfahren auszuführen.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems wird ein Leistungselektronikmodul umfasst, das einen an eine Sekundärspule des Transformators angeschlossenen Gleichrichter aufweist, und dazu konfiguriert ist, ein Elektrofahrzeug aufzuladen. Es ist denkbar, dass das Leistungselektronikmodul hierzu geeignete Anschlussmöglichkeiten an eine Ladebuchse eines Elektrofahrzeugs aufweist.
Schließlich wird ein mit dem erfindungsgemäßen System ausgestatteter Ladepark beansprucht, welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung zu einem Ladepark mit fünf Ladestationen.

In 1 wird in schematischer Darstellung eine beispielhafte Schaltung 100 zu einem Ladepark mit fünf Ladestationen gezeigt. Ein Transformator 101 ist mit seiner Primärspule an ein Mittelspannungsnetz 102 angeschlossen. Beispielhaft sind fünf Sekundärspulen 112, 122, 132, 142, 152 dargestellt, die bei einer Ausgangsleistung von bspw. 320kVA eine Wechselspannung mit einem zueinander verschobenen Phasenwinkel aufweisen. Dadurch wird ein passives Konzept zur Reduzierung der Netzrückwirkung umgesetzt. An eine jeweilige Sekundärspule 112, 122, 132, 142, 152 ist ein jeweiliges Leistungselektronikmodul 110, 120, 130, 140, 150 angeschlossen, innerhalb dessen an seinem jeweiligen Eingang 114, 124, 134, 144, 154 ein jeweiliger aktiver Gleichrichter eine THD von unter 5% besitzt. Durch eine Kombination der aktiven Gleichrichter mit dem passiven Konzept der jeweilig unterschiedlich verschobenen Sekundärspulen wird so insgesamt am Anschluss zum Mittelspannungsnetz 102 eine THD von deutlich unter 5%, z.B. von unter 1%, erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010244773 A [0005]
US 2012113700 A [0006]
US 2013020989 [0007]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer netzrückwirkungsminimierenden Transformatorschaltung (100), welche einen Transformator (101) mit mehreren, zueinander phasenverschobenen Sekundärspulen (112, 122, 132, 142, 152) aufweist, wobei an jede Sekundärspule (112, 122, 132, 142, 152) jeweils ein aktiver Gleichrichter angeschlossen wird, und wobei durch jeden aktiven Gleichrichter mittels steuerbarer leistungselektronischer Halbleiterschaltungen ein Auftreten schaltharmonischer Störungen minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die aktiven Gleichrichter synchron getaktet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein jeweiliger aktiver Gleichrichter und ein von dem jeweiligen aktiven Gleichrichter umfasster Filter auf einen von einem Netzbetreiber vorbestimmten Standardgrenzwert zu einer Netzrückwirkung ausgelegt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Leistungselektronikmodul (110, 120, 130, 140, 150), welches einen an eine Sekundärspule (112, 122, 132, 142, 152) des Transformators (101) angeschlossenen Gleichrichter umfasst, dazu ausgelegt wird, ein Elektrofahrzeug aufzuladen.
System zum Bereitstellen einer netzrückwirkungsminimierenden Transformatorschaltung (100), welches einen Transformator (101), der eine Primärspule und eine Mehrzahl an zueinander phasenverschobenen Sekundärspulen (112, 122, 132, 142, 152) aufweist, jeweils einen an eine Sekundärspule (112, 122, 132, 142, 152) angeschlossenen aktiven Gleichrichter, und eine Steuereinheit zum Ansteuern von Halbleiterschaltern der aktiven Gleichrichter umfasst, wobei das System dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche auszuführen.
System nach Anspruch 5, welches ein Leistungselektronikmodul (110, 120, 130, 140, 150) umfasst, das einen an eine Sekundärspule (112, 122, 132, 142, 152) des Transformators (101) angeschlossenen Gleichrichter aufweist, und dazu konfiguriert ist, ein Elektrofahrzeug aufzuladen.
Ladepark, welcher ein System nach einem der Ansprüche 5 oder 6 aufweist und dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.