-
Die vorliegende Erfindung betrifft dezentrale Steuerverfahren zur selektiven Strombegrenzung und zur Spannungshaltung in DC Netzen, welche nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 aufgebaut sind und die sich in beliebige Netzstrukturen konfigurieren lassen.
-
DC Netze mit gleichberechtigten und dezentralen Verbraucher- und Erzeugerstrukturen existieren gegenwärtig nur in wenigen Ausnahmefällen für Sonderanwendungen. Punkt zu Punkt Verbindungen über DC Leitungen gehören dagegen zum Stand der Technik und lassen sich auch mit klar definierten bidirektional wirkenden Stromrichtereinheiten an den Anschlusspunkten sicher und zuverlässig betreiben. In derartigen bekannten Modularen Multilevel Convertern MMC (
DE10103031 B4 ) werden elektronische, alternierend schaltende Schalter in Halb- oder Vollbrückentopologie benutzt, die jeweils mit einem fest zugeordneten Zwischenkreiskondensator verbunden sind. Diese Schalterzellen werden zu Schalterkaskaden in Reihe geschaltet, sodass keine direkte Reihenschaltung der Zwischenkreiskondensatoren entsteht. Weiterhin sind nach
DE102020131349.7 modulare Multilevel Converter in den beiden Ausführungsformen als HSMC (High Side Multilevel Converter) und als LSMC (Low Side Multilevel Converter) bekannt, mit denen sich ein- bis n-stufige Spannungszwischenkreise, die aus einer direkten Reihenschaltung einzelner Kondensatoren bestehen, über entsprechende Leitungsabschnitte eines beliebigen DC Netzes verbinden lassen. Dabei weist jeder Kondensator der Reihenschaltung mindestens eine parallele Stromquelle auf, die mit einer AC oder DC Quelle gekoppelt ist und die Energiezuführung oder Energieabgabe jedes Einzelkondensators und damit der gesamten Reihenschaltung zusätzlich zu den mit dem Spannungszwischenkreis verbundenen HSMC oder LSMC steuert. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Funktion der parallelen Stromquellen nicht nur auf die Einhaltung eines gemeinsamen Mittelwertes der Spannungen aller in Reihe geschalteten Kondensatoren gerichtet ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Nachteil aus dem bisherigen Stand der Technik zu überwinden und Steuerverfahren bereitzustellen, die zum einen über die gezielte Ansteuerung der HSMC oder LSMC die selektive Strombegrenzung einzelner Leitungsabschnitte eines komplexen DC Netzes bis hin zu deren Spannungsfreischaltung ermöglichen und andererseits ein auf ein komplexes DC Netz abgestimmtes Steuerverfahren für die parallelen Stromquellen der ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreise anzugeben, die eine dezentrale Spannungshaltung des gesamten Netzes garantieren.
-
Die Erfindung löst diese Aufgaben durch die Angabe von Steuerverfahren für die HSMC oder LSMC zur Strombegrenzung in Leitungsabschnitten des DC Netzes nach Anspruch 1 und durch die Angabe von Steuerverfahren für die parallelen Stromquellen Iq der einbis n-stufigen Spannungszwischenkreise zur dezentralen Spannungshaltung des DC Netzes nach den Ansprüchen 3, 4 und 5.
-
Die Erfindung geht demzufolge davon aus, dass die ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreise, die an jedem Netzknotenpunkt k vorzusehen sind, grundsätzlich über HSMC oder LSMC an den beiden Anschlusspunkten eines Leitungsabschnittes miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Leitungsabschnitte in DC Netzen, die an einem Netzknotenpunkt miteinander gekoppelt sind, bestimmt damit auch die Anzahl der mit dem ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreis des Netzknotenpunktes verbundenen HSMC oder LSMC. Bei einheitlicher Definition der Stromrichtung fließt im ungestörten Betrieb des DC Netzes der Strom durch den Leitungsabschnitt an seinem ersten Anschlusspunkt z.B. in positive Richtung und an dem zweiten Anschlusspunkt in negative Richtung. Die aktiven Schalter des HSMC oder LSMC am ersten Anschlusspunkt und die passiven Schalter am zweiten Anschlusspunkt führen demzufolge den Leitungsstrom. Überschreitet der positive Strom eines HSMC oder LSMC einen definierten Maximalwert Imaxl, der vom Leiterquerschnitt des Leitungsabschnittes abhängt, senkt ein Strombegrenzungsregler der HSMC oder LSMC deren Spannung ab und begrenzt damit den Leitungsstrom auf Imaxl. Bei umgekehrter Stromrichtung reagiert der am anderen Ende des Leitungsabschnittes befindliche HSMC oder LSMC entsprechend. Im Kurzschluss innerhalb eines Leitungsabschnittes reagiert zuerst der HSMC oder LSMC mit positiver Stromrichtung, während der HSMC oder LSMC am anderen Ende des Leitungsabschnittes erst nach seinem Stromrichtungswechsel und Überschreitung des Leitungsstromes über den Wert von Imaxl eingreift. Bei dominanter Übersteuerung der Strombegrenzungsregler schalten beide an den Enden des Leitungsabschnittes befindliche HSMC oder LSMC bei Überschreitung von Imaxl den Leitungsabschnitt in kürzester Zeit stromlos, wenn gleichzeitig die Ansteuerimpulse für die aktiven Schalter der beiden beteiligten HSMC oder LSMC gesperrt werden.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung die dezentrale Spannungshaltung in DC Netzen, indem allen zu den Kondensatoren der ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreisen parallel geschalteten und mit AC oder DC Quellen gekoppelten Stromquellen Iq erweitere Steuerfunktionen zugewiesen werden. Dazu übernimmt eine erste Gruppe der genannten Stromquellen Iquk die Spannungsregelung an den ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreisen, deren Netzkontenpunkte im gesamten DC Netz für die Spannungsregelung vorgesehen sind. Mindestens ein Netzknotenpunkt eines DC Netzes muss einen solchen Netzknoten aufweisen. Die Stromquellen speisen am Netzknotenpunkt k den Strom so in ihre parallel geschalteten Kondensatoren des ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreises ein, dass entweder dessen Gesamtspannung oder die n Einzelspannungen der Kondensatoren als Spannungsistwert Uzkist mit einem für das gesamte DC Netz einheitlichem Spannungssollwert Uzsoll verglichen werden. Ein Spannungsregler verstärkt diese Regelabweichung und bildet an seinem Ausgang einen Stromsollwert iqksoll, der spannungsabhängig zu begrenzen ist, bevor er in einem evtl. nachgeschalteten Stromregler für den Strom iqk mit dem Stromistwert iqkist abgeglichen wird. Der spannungsabhängig zu begrenzende Stromsollwert iqksoll entspricht dabei dem Strom der Stromquellen Iquk. Mit der spannungsabhängigen Strombegrenzung erfolgt die Spannungshaltung des DC Netzes.
Eine zweite Gruppe der genannten Stromquellen Iqpk übernimmt ebenfalls an einem Netzkotenpunkt k die Regelung des Strombedarfes der mit den Stromquellen Iqpk gekoppelten AC oder DC Quellen in Abhängigkeit der Prozessanforderungen als Verbraucher, Energiespeicher oder Energiequelle. Ein dazu vorzusehender Prozessregler bildet die Regelabweichung aus Prozesssollwert Xsoll und Prozessistwert Xist und stellt an seinem Ausgang einen entsprechend verstärkten und wieder spannungsabhängig zu begrenzenden Stromsollwert iqksoll einem Stromregler zur Verfügung.
-
Da beide Gruppen von Stromquellen sowohl positive als auch negative Ströme führen, gelten die Steuergesetze der spannungsabhängigen Stromsollwertbegrenzung für beide in gleicher Weise, d.h. positiver Strom entspricht einem Stromverbrauch aus dem Netzknotenpunkt und negativer Strom entspricht einer Stromeinspeisung in den Netzknotenpunkt.
-
Die spannungsabhängige obere Strombegrenzungsfunktion logw = f (Uzk) nimmt dabei im Spannungsbereich zwischen Null und einem Minimalwert Umin den Wert Null an, in dem Spannungsbereich zwischen Umin und (Umin + ΔU) steigt sie proportional von dem Wert Null auf den Wert (Imaxq - ΔI) an und in dem Spannungsbereich zwischen (Umin + ΔU) und einem Maximalwert Umax , in dessen Mitte optimal der Spannungssollwert Uzsoll liegen sollte, ändert sie sich proportional mit ansteigender Spannung von einem Stromwert (Imaxq - ΔI) bis zum Stromwert Imaxq.
Die spannungsabhängige untere Strombegrenzungsfunktion lugw = f (Uzk) weist im Spannungsbereich oberhalb von Umax den Wert Null auf, in dem Spannungsbereich zwischen (Umax - ΔU) und Umax ändert sie sich proportional mit abnehmender Spannung von dem Wert Null auf den Wert -(Imaxq - ΔI) und im Spannungsbereich zwischen Umin und (Umax - ΔU) nimmt sie proportional mit abnehmender Spannung von dem Stromwert -(Imaxq - ΔI) bis zu dem Stromwert -Imaxq ab. Die maximalen Strombegrenzungswerte Imaxq beziehen sich dabei auf die Stromtragfähigkeit der mit den Stromquellen gekoppelten AC oder DC Quellen.
-
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in Figuren dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren.
-
1 zeigt einen Netzknotenpunkt k, bestehend aus einem ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreis mit den zu den in Reihe geschalteten Kondensatoren parallel angeordneten Stromquellen Iqk und einen verbundenen HSMC oder LSMC mit der Spannung uk an dem angeschlossenem Leitungsabschnitt k eines DC Netzes und der gesamten Zwischenkreisspannung Uzk. Am anderen Ende des Leitungsabschnittes k befindet sich der in gleicher Weise strukturierte Netzknotenpunkt k+1 mit den HSMC oder LSMC mit der Anschlussspannung uk+1 am Leitungsabschnitt k und dem ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreis mit der Zwischenkreisspannung Uzk+1 und den parallelen Stromquellen Iqk+1. An beiden Netzknotenpunkten können über HSMC oder LSMC weitere Leitungsabschnitte angeschlossen sein. Die Summe aller Stromquellen Iqk bestimmt durch Stromzufuhr oder Stromentnahme die einzelnen Kondensatorspannungen und damit die gesamte Zwischenkreisspannung Uzk, indem sie jeweils mit AC oder DC Quellen gekoppelt sind. Gleiches gilt für den Netzknotenpunkt k+1. Die jeweils an den Leitungsabschnitt k angeschlossenen HSMC oder LSMC bestimmen entsprechend ihrer Aussteuerung die beiden Anschlussspannungen Uk und Uk+i im Wertebereich zwischen Null und der zugeordneten Zwischenkreisspannung und beeinflussen damit den Stromfluss durch den Leitungsabschnitt k.
-
2 zeigt beispielhaft die Struktur eines Ringnetzes mit vier Netzknotenpunkten und vier Leitungsabschnitten, wobei die HSMC oder LSMC nur symbolisch dargestellt sind.
-
3 zeigt im oberen Teil den vereinfacht dargestellten Leitungsabschnitt k mit den angeschlossenen Netzknotenpunkten k und k+1. Beide HSMC oder LSMC der Netzknotenpunkte erhalten jetzt einen im unteren Teil dargestellten Strombegrenzungsregler, dessen Regelabweichung aus einem maximalen Stromwert lmaxl für den Leitungsabschnitt k und den jeweils auf ausschließlich positive Stromwerte begrenzten Istwerten der Ströme ikist und für den Netzknotenpunkt k+1 i(k+1)ist, entsprechend der festgelegten Zählpfeilrichtung, gebildet wird. Durch diese Begrenzungen befindet sich der Begrenzungsregler immer in Vollaussteuerung, solange der Istwert unterhalb des Sollwertes bleibt und somit auch die Spannungen uk und uk+1 auf ihren Maximalwerten, die denen ihrer Zwischenkreisspannungen Uzk und Uzk+1 entsprechen. Die HSMC oder MSMC sind mit ihren High Side Schaltern ständig im Ein-Zustand, wodurch keine Schaltverluste zu verzeichnen sind. Erst bei Überschreitung des positiven Stromwertes Imaxl senkt derjenige HSMC oder LSMC mit positivem Strom seine zugehörige Spannung uk oder uk+1 ab und begrenzt damit den Strom durch den Leitungsabschnitt k auf den Wert von Imaxl. Für den Fall eines Kurzschlusses im Leitungsabschnitt k liefern beide HSMC oder LSMC den jeweils positiven Kurzschlussstrom auf den Wert von Imaxl begrenzt. Ein Unterschreiten der beiden Spannungen uk und uk+1 unter einen definierten Grenzwert Ugrenz wird durch Sperrung der Ansteuersignale der aktiven Leistungshalbleiter der beiden beteiligten HSMC oder LSMC der Strom in kürzester Zeit auf den Wert Null abnehmen, wodurch der Leitungsabschnitt k beidseitig stromlos frei geschaltet werden kann.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft die Spannungshaltung eines DC Netzes. Dazu werden die Steuerfunktionen der zu den Kondensatoren parallel angeordneten Stromquellen Iq der ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreises benutzt, die an jedem Netzknotenpunkt vorhanden sind. 4 zeigt im oberen Teil einen Netzknoten k mit dem zugehörigen ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreis mit der Spannung Uzk, den zusammengefassten Stromquellen Iqk und einen über HSMC oder LSMC angeschlossenen Leitungsabschnitt k eines DC Netzes mit der Spannung uk und dem Strom ik. Der gesamte ein- bis n-stufige Spannungszwischenkreis bezieht seine Energie einerseits aus dem DC Netz über einen oder mehrere HSMC oder LSMC und andererseits aus den AC oder DC Quellen, die den Strom der Stromquellen Iqk liefern. Für die Spannungshaltung des gesamten DC Netzes muss mindestens eine der Stromquellen Iqk in der Lage sein, die Zwischenkreisspannung Uzk auf einen für das gesamte DC Netz einheitlichen Wert Uzsoll zu regeln. Wie im unteren Teil von 4 dargestellt, beziehen diese spannungsregelnden Stromquellen Iquk ihre Energie aus ihren gekoppelten AC oder DC Quellen, indem ein Spannungsregler aus seiner bewerteten Regelabweichung einen Stromsollwert generiert, der zur Spannungshaltung des DC Netzes in beiden Richtungen mit einer oberen logw = f (Uzk) und einer unteren Begrenzungsfunktion lugw = f (Uzk) begrenzt wird. Auf diesen begrenzten Stromsollwert iqksoll regelt der interne Stromregler der Stromquellen Iquk.
-
5 zeigt im oberen Teil weitere an die ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreise angeschlossene Stromquellen Iqpk, die ihre gekoppelten AC oder DC Quellen mit dem Strom versorgen, der in Abhängigkeit der mit ihnen verbunden Prozessanforderungen als Verbraucher, Energiespeicher oder Energiequelle notwendig ist. Ein dazu vorzusehender Prozessregler, wie im unteren Teil von 5 dargestellt, bildet die Regelabweichung aus Prozesssollwert Xsoll und Prozessistwert Xist und stellt an seinem Ausgang einen entsprechend verstärkten und wieder spannungsabhängig zu begrenzenden Stromsollwert iqksoll einem Stromregler zur Verfügung.
-
Weiterhin können erfindungsgemäß an einem ein- bis n-stufigen Spannungszwischenkreis mehrere sowohl spannungsregelnde Iquk als auch prozessregelnde Iqpk Stromquellen angeschlossen sein.
Die spannungsabhängigen oberen Strombegrenzungsfunktionen logw = f (Uzk) und die spannungsabhängigen unteren Strombegrenzungsfunktionen lugw = f (Uzk) sind dabei grundsätzlich sowohl für spannungsregelnde als auch für prozessregelnde Stromquellen von gleicher Grundstruktur. Sie unterscheiden sich jeweils durch ihre Stromgrenzwerte Iqmax und ΔI, die individuell auf die Stromtragfähigkeit der DC oder AC Quellen zugeschnitten sind. Allen gemeinsam sind dagegen die vom gesamten DC Netz einheitlich zu definierenden Spannungsgrenzwerte Umin, Usoll, Umax und ΔU.
-
Die spannungsabhängige obere Strombegrenzungsfunktion logw = f (Uzk) nimmt dabei, wie in 6 dargestellt, im Spannungsbereich zwischen Null und einem Minimalwert Umin den Wert Null an, in dem Spannungsbereich zwischen Umin und (Umin +ΔU) steigt sie proportional von dem Wert Null auf den Wert (Imaxq - ΔI) an und in dem Spannungsbereich zwischen (Umin + ΔU) und einem Maximalwert Umax, in dessen Mitte optimal der Spannungssollwert Uzsoll liegen sollte, ändert sie sich proportional mit ansteigender Spannung von einem Stromwert (Imaxq - ΔI) bis zum Stromwert Imaxq.
Weiterhin weist nach 6 die spannungsabhängige untere Strombegrenzungsfunktion Iugw = f (Uzk) im Spannungsbereich oberhalb von Umax den Wert Null auf, in dem Spannungsbereich zwischen (Umax - ΔU) und Umax ändert sie sich proportional mit abnehmender Spannung von dem Wert Null auf den Wert -(Imaxq - ΔI) und im Spannungsbereich zwischen Umin und (Umax - ΔU) nimmt sie proportional mit abnehmender Spannung von dem Stromwert -(Imaxq - ΔI) bis zu dem Stromwert -Imaxq ab. Solang die regulären Stromsollwerte zwischen unterer lugw = f (Uzk) und oberer Strombegrenzungsfunktion Iogw = f (Uzk) liegen und die Ströme durch die Leitungsabschnitte des Netzes unterhalb ihrer Grenzwerte Imaxl liegen, stellt sich entsprechend der Spannungsregelung und deren Regelabweichungen, dem Strombedarf aller Prozessregler des DC Netzes entsprechend und durch die verteilten Impedanzen der Netzleitungsabschnitte eine natürliche Spannungsverteilung alle Netzknotenspannungen ein. Bei Überschreitung der Grenzwerte ändert sich die Lastflussverteilung des DC Netzes, indem einzelne prozess- oder spannungsregelnde AC oder DC Quellen in ihrer Aussteuerung oder einzelne Leitungsabschnitte in ihrer Stromführung begrenzt oder abgeschaltet werden, ohne dass innerhalb bekannter Grenzen die Spannungshaltung des Gesamtnetzes beeinträchtigt wird.
-
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
-
- DE 10103031 B4 [0002]
- DE 102020131349 [0002]