DE102021130424B4

DE102021130424B4 - Verfahren und System zur Kompensation einer Netzimpedanz in einem Fahrzeugladesystem

Info

Publication number: DE102021130424B4
Application number: DE102021130424.5A
Authority: DE
Inventors: Raoul Heyne; Stefan Götz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2041-11-23
Also published as: DE102021130424A1

Abstract

Verfahren zu einer Kompensation einer Netzimpedanz, wobei die Netzimpedanz (281, 282) von einem Versorgungsnetz (101) aufgewiesen wird, wobei von dem Versorgungsnetz (101) ein Wechselstrom mit einer Netzfrequenz bereitgestellt wird, wobei ein Fahrzeugladesystem (100), welches mindestens eine erste Leistungseinheit (115) mit einem Netzinverter (250) und dessen Strom- oder Leistungsregelung (200) aufweist, über einen Sammelanschluss (111) an das Versorgungsnetz (101) angeschlossen wird, wobei die erste Leistungseinheit (115) zusätzlich mehrere Sensoren zu einer Spannungsmessung (117, 118) und/oder einer Strommessung (119) umfasst, wobei in einem ersten Schritt zumindest ein induktiver Anteil der Netzimpedanz (281) gemessen wird, indem von der ersten Leistungseinheit (115) für eine vorgegebene Zeitdauer als ein Störsignal (270) mit vorgegebener Störfrequenz eine Spannungsstörung oder eine Stromstörung erzeugt wird und als ein Messsignal entsprechend ein Strom (246, 247, 248) oder eine Spannung gemessen wird, und wobei in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil der Netzimpedanz (281) eine integrierende Verstärkung (210, 220) der Strom- oder Leistungsregelung (200) des Netzinverters (250) adaptiv angepasst wird, wodurch ein Schwingungsverhalten der ersten Leistungseinheit (115) unterdrückt wird, bei dem das Fahrzeugladesystem (100) zusätzlich eine zweite Leistungseinheit (115) aufweist, wobei eine positive Rückkopplung der zweiten Leistungseinheit (115) auf die adaptive Anpassung der ersten Leistungseinheit (115) an die Netzimpedanz (281, 282) berücksichtigt wird, indem ein Einfluss der zweiten Leistungseinheit (115) auf eine Sammelanschlussspannung geschätzt wird und in der Strom- oder Leistungsregelung (300, 400) der ersten Leistungseinheit (115) über eine Feed-Forward-Schleife (324) kompensiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation einer Netzimpedanz, welches einen Arbeitsbereich eines Fahrzeugladesystems für schwache Netze ausweitet. Ferner wird ein System beansprucht, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.
Heutige Elektrofahrzeuge erlauben in der Regel zwei Lademodi. Zum einen verfügt ein Fahrzeug für ein AC-Laden an einer gewöhnlichen Wechselspannungs- oder Drehstromsteckdose über ein On-board-Ladegerät, das sowohl die nötige Wandlung in Gleichstrom vornimmt als auch den Ladebetrieb steuert. Zum anderen wurde ein DC-Laden mit Gleichspannung entwickelt, wobei das Fahrzeug hierbei nicht über ein eigenes Ladegerät verfügt. Stattdessen führt eine fahrzeugexterne Ladesäule den Ladevorgang durch und formt ebenfalls Spannung und Strom so, wie es für das Laden der Batterie notwendig ist. Während des Ladevorganges sind die DC-Ladeleitungen direkt mit den Polen der Hochvoltbatterie des Fahrzeuges oder einem fahrzeuginternen Hochsetzer verbunden, so dass in der Regel keine galvanische Trennung zwischen den DC-Ladeleitungen und der Batterie stattfindet. Um hohe Ladegeschwindigkeiten zu erreichen, gilt generell das Ziel, bei der DC-Ladesäule möglichst hohe Ladeleistungen, bspw. oberhalb von 300 kW, mit hohen Ladespannungen, bspw. im Bereich von 1000 V, bereitzustellen.
Ladeparks mit mehreren DC-Ladesäulen benötigen jedoch zur Entnahme solch hoher Ladeleistungen ein sehr stabiles Stromnetz. Aus Sicht einer Ladeelektronik der DC-Ladesäule kann das Stromnetz je Phase zu einer Spannungsquelle mit einer Innenimpedanz (resistiv und induktiv, selten kapazitiv), einer sogenannten Netzimpedanz, vereinfacht werden. Ein auf diese Weise vereinfachtes Ersatzschaltbild soll im Weiteren das ansonsten komplex verschaltete Netz aus Quellen, Lasten und Impedanzen repräsentieren.
Ein schwaches Netz zeigt vielerlei Eigenheiten, welche sich nachteilig auf angeschlossene Verbraucher auswirken können. So ist die Netzimpedanz nicht stabil, sondern verändert sich mit jeder lokalen Änderung im Netz, z. B. kann die Netzimpedanz sehr groß werden, oder die Spannungsquelle im Ersatzschaltbild kann eine zeitliche Änderung zeigen, bspw. ein kurzer Einbruch bei starken Einschaltströmen einer Last oder ein Anstieg bei Ausschalten der Last. Einzelne Phasen können kurzzeitig einbrechen oder sogar ganz verschwinden. Wenn Leistungselektroniksysteme, wie bspw. diejenigen eines Ladeparks, an schwache Netze angeschlossen werden, können insbesondere bei hohen Leistungen vorgenannte Probleme zu Tage treten.
Die Ladeelektroniken der DC-Ladesäulen umfassen als Leistungselektronik nun Netzinverter, welche aus physikalischer Sicht Spannungsquellen darstellen. Eine Spannungsquelle ist das Netz allerdings ebenfalls, weshalb aus diesem Grund der Betrieb der Netzinverter geregelt erfolgt. Die Regelung ist meist eine Stromregelung oder eine Leistungsregelung, die eine harte Netzspannung erwartet und sich auf diese aufsynchronisiert. Dies kann beispielsweise mit Phasenregelschleifen (englisch: phase locked loop, PLL) oder einem resonanten Regler passieren. Der Regler versucht dabei, die Spannung des Netzinverters so zu stellen, dass die Differenz zum Netz minimal ist, oder, genauer gesagt, dass die Spannung des Netzinverters genauso hoch ist wie die Netzspannung, so dass der gewünschte Strom oder die Leistung fließt. Allerdings verursacht die Regelung gerade bei schwachen Netzen Probleme, welche durch Anordnung weiterer Bauelemente, bspw. Filter, abgemildert werden sollen.
Die Druckschrift EP 3 175 528 B1 beschreibt ein Ladeverfahren für Traktionsbatterien, bei dem der Eingangsstrom gefiltert und der Batterie die Netzleistung über eine Spannungsminderungsstufe zugeführt wird. Die von dieser Stufe erzeugten Harmonischen werden durch eine Verstärkerstufe mit veränderlichem Verstärkungsfaktor kompensiert, wobei der Verstärkungsfaktor wiederum an die gemessene Impedanz des Versorgungsnetzes angepasst wird.
Die Druckschrift J. Fang, J. Yu, Y. Zhang, S. M. Goetz: „An Estimation-Based Solution to Weak-Grid-Induced Small-Signal Stability Problems of Power Converters." In: IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics Year: 2021 |Volume: 9, Issue: 4|Journal Article |Publisher: IEEE, Date of Publication: 13 October 2020, offenbart eine auf einer Schätzung basierende Lösung zu Stabilitätsproblemen von Stromrichtern bei Kleinsignalen in schwachen Netzen. Hierbei kommt es auf eine genaue Schätzung realer Netzinformationen an, anstatt wie bislang Informationen zum gemeinsamen Kopplungspunkt zu betrachten. Als Schätzer werden Kalman-Filter eingesetzt.
Die Druckschrift J. Fang, H. Deng, S. M. Goetz: „Grid Impedance Estimation Through Grid-Forming Power Converters." In: IEEE Transactions on Power Electronics Year: 2021 |Volume: 36, Issue: 2|Journal Article |Publisher: IEEE, Date of Publication: 21 July 2020, befasst sich mit einer Impedanzschätzungsmethode zur Steuerung von Wechselrichtern für Stromnetze. Für eine Spannungssteuerung wird eine Störung einer Spannungsamplitude oder Informationen zum Phasenwinkel herangezogen. Zudem werden aus einer Leistungsmessung eine Netzinduktivität und ein Netzwiderstand abgeleitet. Alternativ wird eine Leistungsregelung besprochen, bei der die Netzimpedanz anhand von Wirk- oder Blindleistungsinformationen abgeschätzt wird.
Die Druckschrift A. V. Timbus, R. Teodorescu, F. Blaabjerg, U. Borup: „Online grid measurement and ENS detection for PV inverter running on highly inductive grid." In: IEEE Power Electronics Letters Year: 2004 |Volume: 2, Issue: 3| Journal Article |Publisher: IEEE, beschreibt an eine Photovoltaik-Anlage angeschlossene Wechselrichter und deren Einspeisung in ein Stromnetz. Es werden eine gesamtharmonische Verzerrung oder die Leitungsimpedanz betrachtet.
Zwei große Probleme treten nun für die Regelung in schwachen Netzen auf. Zum einen kann je nach Standort die Netzimpedanz zeitweise sehr groß werden. Die Folge ist eine sehr niedrige Resonanzfrequenz, so dass bereits eine einzelne Leistungselektronik ohne irgendeine weitere Last am Netzanschluss (d. h. nichts - auch kein anderes Gerät mit nennenswerter Leistung - eingesteckt) zu Resonanzen führt, die vom Regler getrieben werden. Zum anderen hängen am Netzanschluss, der bspw. ein Sammelanschluss (Englisch: „Point of Common Coupling“, PCC) sein kann, meist mehr als eine Spannungsquelle, bspw. Photovoltaik-Anlage etc., oder mehr als eine Last, bspw. weitere Leistungselektroniken. An einer hohen Netzimpedanz kann es dann zu Wechselwirkungen mit positiven Rückkopplungen kommen, die ebenfalls Schwingungen, nun aber zwischen mehreren Geräten und Reglern, treiben. Im Extremfall führen diese Probleme sogar zum Zusammenbruch eines betroffenen Netzsegmentes.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kompensation einer Netzimpedanz vorzustellen, welches einen Arbeitsbereich eines Fahrzeugladesystems für schwache Netze ausweitet. Eine Resonanzgefahr soll unterbunden werden. Ferner soll ein System beansprucht werden, welches eine Ausführung des Verfahrens erlaubt.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Kompensation einer Netzimpedanz vorgeschlagen, wobei die Netzimpedanz von einem Versorgungsnetz aufgewiesen wird. Von dem Versorgungsnetz wird ein Wechselstrom, bspw. ein Drehstrom, mit einer Netzfrequenz bereitgestellt. Ein Fahrzeugladesystem, welches ein Netzteil oder ein anderes Gerät, das Leistung aus dem Versorgungsnetz bezieht sein kann, welches mindestens eine erste Leistungseinheit mit einem Netzinverter oder einem Netzgleichrichter oder einem Netzgleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur und dessen Strom- oder Leistungsregelung aufweist, wird über einen Sammelanschluss an das Versorgungsnetz angeschlossen. Die erste Leistungseinheit umfasst zusätzlich mehrere Sensoren zu einer Spannungsmessung und/oder einer Strommessung. In einem ersten Schritt wird zumindest ein induktiver Anteil der Netzimpedanz gemessen, indem von der ersten Leistungseinheit für eine vorgegebene Zeitdauer als ein Störsignal mit vorgegebener Störfrequenz eine Spannungsstörung oder eine Stromstörung erzeugt wird und als ein Messsignal entsprechend ein Strom oder eine Spannung gemessen wird, und der induktive Anteil der Netzimpedanz als ein Gleichanteil aus einer synchronen Demodulation von Messsignal und Störsignal erhalten wird. In einem zweiten Schritt wird in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil der Netzimpedanz eine integrierende Verstärkung der Strom- oder Leistungsregelung des Netzinverters adaptiv angepasst, wodurch ein Schwingungsverhalten der ersten Leistungseinheit unterdrückt wird.
In der Fachliteratur, insbesondere Rivera et a. 2021 sind diverse Netzinverter bekannt, die gemäß der Erfindung Teil des Netzteiles sein können [S. Rivera, S. Kouro, S. Vazquez, S. M. Goetz, R. Lizana, and E. Romero-Cadaval, „Electric Vehicle Charging Infrastructure: From Grid to Battery," IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 15, no. 2, pp. 37-51, June 2021, doi: 10.1 109/MIE.2020.3039039].
Die Regelung des Netzinverters ist eine Stromregelung oder eine Leistungsregelung. Im Allgemeinen ist die Netzimpedanz für eine Regelung insbesondere im Bereich der Netzfrequenz, d. h. 50 Hz bzw. 60 Hz und wenige Vielfache davon, von Bedeutung. Dies trifft sehr gut auf das Problem einer Ladestation zu, welche an ein schwaches Netz angeschlossen ist, während aus dem Stand der Technik bekannte, dedizierte Impedanzsysteme eher für Frequenzen von bspw. 1 kHz ausgelegt sind. Der interessante Frequenzbereich liegt damit im Dynamikbereich der ersten Leistungseinheit, also Netzinverter und Sensoren. Aus diesem Grund kann die erfindungsgemäße Messung der Netzimpedanz vorteilhaft durch die erste Leistungseinheit erfolgen und benötigt keine zusätzliche Hardware.
Das erfindungsgemäße Verfahren injiziert zeitweise abwechselnd das Störsignal (erster Schritt), ermittelt über die synchrone Demodulation zumindest den induktiven Anteil der Netzimpedanz und modifiziert in der Regelung des Netzinverters die integrierende Verstärkung bzw. einen Verstärkungsfaktor (zweiter Schritt). Damit wird ein adaptiver Vorgang beschrieben. Die vorgegebene Zeitdauer liegt bspw. unterhalb von einer Minute, um keine technischen Anschlussbedingungen (abgekürzt TAB) oder Grid Codes zu verletzen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Zeitdauer des Störsignals wenige Sekunden unterhalb von zehn Sekunden gewählt.
Das Störsignal erfolgt bspw. bei der Regelung des Netzinverters durch Strom- oder Leistungsregelung als Stromstörung. In diesem Fall wird die Stromstörung auf einen relativ konstanten Strom- oder Leistungszielwert als eine Wechselgröße in netzsynchronen d/q-Koordinaten aufaddiert. Da die Wechselgröße durch eine Synchronisierung bzw. das d/q-System (siehe 2) abschließend mit einer Sinusschwingung mit Netzfrequenz mathematisch gefaltet wird, hat das tatsächlich auf das Netz stromgeregelt gegebene Störsignal bis zu zwei Frequenzen: eine bei der Netzfrequenz plus der Störfrequenz, eine bei der Netzfrequenz minus der Störfrequenz. Entsprechend ist die Störfrequenz zu wählen, um eine geeignete Gesamtfrequenz zu erhalten. Zurückgemessen wird die Spannung, bspw. direkt am Sammelanschluss oder an einem Filter zwischen Sammelanschluss und der ersten Leistungseinheit. Potenziell zusätzlich kann ein gestellter Tastgrad (vom Fachmann auch Englisch als duty cycle bezeichnet) einer im Netzinverter ablaufenden Pulsweitenmodulation (abgekürzt als PWM) herangezogen werden.
In einer anderen Ausführungsform wird das Störsignal jedoch nicht über die Strom- oder Leistungsregelung und Netzsynchronisierung als Stromstörung injiziert, sondern stattdessen als Spannungsstörung. Dadurch wird vorteilhaft eine Dynamik der Regelung aus dem Messverfahren eliminiert. Zurückgemessen wird der Strom.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Störfrequenz als eine Zwischenfrequenz gewählt. Die Zwischenfrequenz liegt zwischen ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes. Auf diese Weise kann vorteilhaft das Störsignal eindeutiger von Störungen im Netz oder Störungen durch weitere am Sammelanschluss angeschlossene Systeme getrennt werden, insbesondere wenn diese Störungen harmonisch zur Netzfrequenz sind. Außerdem gewährleistet ein solches Vorgehen, dass andere Störungen nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit die Störfrequenz des erfindungsgemäßen Verfahrens im Fahrzeugladesystem treffen. Des Weiteren lassen sich Störungen des Netzes und weiterer Systeme, die synchron mit der Netzfrequenz sind, über mehrere Zyklen der Störung hinweg detektieren und eliminieren bzw. herausmitteln.
Eine Auswertung des Messsignals erfolgt erfindungsgemäß mittels einer synchronen Demodulation. Hierzu wird das Messsignal, welches je nach Injektionsart durch Strom oder Spannung gebildet wird, mit dem Störsignal multipliziert - ähnlich wie bei einem Heterodynempfänger für Signale in der Nachrichtentechnik. Ein daraus gebildetes Ergebnis weist einen Gleichanteil mit dem induktiven Anteil der Netzimpedanz und diverse Wechselanteile, welche entsprechend entfernt werden können, auf. Will man allein den induktiven Anteil der Netzimpedanz ermitteln, wird die Demodulation nur mit einem um 90° in der Phase verschobenen Träger mit der Störungsfrequenz durchgeführt.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im ersten Schritt zusätzlich ein resistiver Anteil der Netzimpedanz gemessen. Anschließend wird im zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil und dem gemessenen resistiven Anteil der Netzimpedanz die integrierende Verstärkung der Strom- oder Leistungsregelung adaptiv angepasst.
Will man den resistiven Anteil und den induktiven Anteil der Netzimpedanz, welcher Real- und Imaginärteil entspricht, ermitteln, wird die Demodulation zweifach durchgeführt: einmal mit einem Originalträger (für den resistiven Anteil) und ein zweites Mal mit einem um 90° phasenversetzten Signal (induktiver Anteil). In beiden Fällen ist der Gleichanteil nach der Demodulation - gegebenenfalls mit zusätzlicher Division (Spannungsmessung/Stromstörung oder Spannungsstörung/Strommessung) - der gesuchte Messwert der Netzimpedanz.
Die Regelung des Netzinverters umfasst bspw. mindestens einen Proportional-Integral-Regler. Um eine Resonanz bzw. das Schwingungsverhalten der ersten Leistungseinheit zu unterbinden, wird die integrierende Verstärkung K_I invers zur gemessenen Netzimpedanz verändert. Liegt nur der induktive Anteil der Netzimpedanz vor, wird K_I bspw. mit 1/ (gemessene Netzinduktivität)^p bzw. 1/ (gemessene Netzinduktivität + ausgangsseitige Filterinduktivität)^p nachgestellt, wobei p ein Wert von 1 sein kann, vorteilhaft aber auch kleiner 1 sein kann, bspw. 1/2.
Wenn zusätzlich auch der resistive Anteil der Netzimpedanz vorliegt, kann prinzipiell rigoroser vorgegangen werden, indem eine Dämpfung des resistiven Anteils einbezogen wird und die integrierende Verstärkung K_I mit [1/(induktiver Anteil Netzinduktivität + ausgangsseitige Filterinduktivität) + k/(resistiver Anteil Netzinduktivität)²]^p multipliziert wird. Wiederum kann der Exponent p gleich 1 sein, aber auch kleiner als 1, bspw. 1/2. k ist eine positive oder negative Konstante, die vom Fahrzeugladesystem abhängt und offline parametriert werden kann. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein leicht dämpfender Einfluss des resistiven Anteils der Netzinduktivität berücksichtigt.
Erfindungsgemäß weist das Fahrzeugladesystem zusätzlich eine zweite Leistungseinheit auf. Eine positive Rückkopplung der zweiten Leistungseinheit auf die adaptive Anpassung der ersten Leistungseinheit an die Netzimpedanz wird berücksichtigt, indem ein Einfluss der zweiten Leistungseinheit auf eine Sammelanschlussspannung geschätzt wird und in der Strom- oder Leistungsregelung der ersten Leistungseinheit über eine Feed-Forward-Schleife kompensiert wird. Hierzu kann in einer Kompensationseinheit der ersten Leistungseinheit die Netzimpedanz mit den in der zweiten Leistungseinheit ermittelten jeweiligen Stromwerten einer jeweiligen Phase multipliziert werden und vom Modulationsindex bzw. Tastgrad für den Netzinverter abgezogen werden.
Die positive Rückkopplung zwischen der ersten Leistungseinheit und der zweiten Leistungseinheit bzw. weiteren Systemen (Lasten oder Quellen) entsteht durch deren Stromlast auf der Netzimpedanz. Bei entsprechendem Spannungseinbruch entsteht zuerst ein Spannungsunterschied zwischen dem Sammelanschluss und der jeweiligen Leistungseinheit. Erhebliche Ausgleichsströme sind die Folge, welche einen Netzanschluss des Fahrzeugladesystems zum Kollabieren bringen können. Erst die erfindungsgemäße Regelung bringt die Spannung wieder ins Gleichgewicht.
Eine Regelung der Batterie-Gleichspannungswandler kann vorteilhaft die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises stützen. Entweder wird grundsätzlich über eine Rückkopplung eine Zwischenkreisspannung geregelt (entsprechend wird eine Reaktionsgeschwindigkeit des Fahrzeugladesystems durch eine Dynamik des Batterie-Gleichspannungswandlers bestimmt) oder eine Verringerung des Stromwertes wird 1:1 auf einen Zielstrom des oder der Batterie-Gleichspannungswandler per Vorsteuerung aufaddiert und eine Leistungslücke nahtlos von dort ausgeglichen.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Kompensation des Einflusses der zweiten Leistungseinheit Stromsollwerte für die erste Leistungseinheit zeitweise verringert. Um zu verhindern, dass bedingt durch die Rückkopplung mit der zweiten Leistungseinheit bzw. weiteren Systemen die Strom- oder Leistungsregelung der ersten Leistungseinheit den Sammelanschluss noch deutlich stärker belastet, wird ein Anstieg der Stromlast zusätzlich von den Sollwerten in der ersten Leistungseinheit abgezogen. Die Regelung kehrt damit nicht auf einen Ursprungsstrom oder eine Ursprungsleistung (vor einem Zuschalten der zweiten Leistungseinheit) zurück, sondern auf einen verringerten Wert. Die Verringerung kann beispielsweise mit einer Zeitkonstante τ langsam zurückgenommen werden, um wieder bei der alten Leistung anzugelangen.
Ferner wird ein System zu einer Kompensation einer Netzimpedanz beansprucht, wobei die Netzimpedanz von einem Versorgungsnetz aufgewiesen wird. Das Versorgungsnetz ist dazu konfiguriert, einen Wechselstrom mit einer Netzfrequenz bereitzustellen. Das System umfasst ein Fahrzeugladesystem, welches mindestens eine erste Leistungseinheit mit einem Netzinverter und dessen Strom- oder Leistungsregelung, bspw. einer Stromregelung oder einer Leistungsregelung, aufweist. Das Fahrzeugladesystem ist über einen Sammelanschluss an das Versorgungsnetz angeschlossen. Die erste Leistungseinheit umfasst zusätzlich mehrere Spannungssensoren und/oder mehrere Stromsensoren. Das System ist dazu konfiguriert, in einem ersten Schritt zumindest einen induktiven Anteil der Netzimpedanz zu messen, indem von der ersten Leistungseinheit für eine vorgegebene Zeitdauer als Störsignal mit vorgegebener Störfrequenz eine Spannungsstörung oder eine Stromstörung erzeugt wird und als ein Messsignal entsprechend ein Strom oder eine Spannung gemessen wird, und der induktive Anteil der Netzimpedanz als ein Gleichanteil aus einer synchronen Demodulation von Messsignal und Störsignal erhalten wird, um in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil der Netzimpedanz eine integrierende Verstärkung der Strom- oder Leistungsregelung des Netzinverters adaptiv anzupassen. Dadurch ist das System dazu konfiguriert, ein Schwingungsverhalten der ersten Leistungseinheit zu unterdrücken.
Das Fahrzeugladesystem wird bspw. durch eine Ladesäule oder eine sogenannten Wall-Box umfasst, welche bspw. zwei Leistungseinheiten aufweisen können. In einem Ladepark können aber bspw. auch mehrere Ladesäulen mit jeweils nur einer Leistungseinheit über den Sammelanschluss mit dem Versorgungsnetz verbunden sein.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sind für die Zeitdauer des Störsignals wenige Sekunden unterhalb von zehn Sekunden gewählt. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die Störfrequenz als eine Zwischenfrequenz gewählt. Die Zwischenfrequenz liegt zwischen ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist das System dazu konfiguriert, im ersten Schritt zusätzlich einen resistiven Anteil der Netzimpedanz zu messen, und im zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil und dem resistiven Anteil der Netzimpedanz die integrierende Verstärkung der Strom- oder der Leistungsregelung adaptiv anzupassen
Erfindungsgemäß weist das Fahrzeugladesystem zusätzlich eine zweite Leistungseinheit auf. Das System ist dazu konfiguriert, eine positive Rückkopplung der zweiten Leistungseinheit auf die adaptive Anpassung der ersten Leistungseinheit an die Netzimpedanz zu berücksichtigen, indem ein Einfluss der zweiten Leistungseinheit auf eine Sammelanschlussspannung geschätzt wird und in der Strom- oder Leistungsregelung der ersten Leistungseinheit über eine Feed-Forward-Schleife kompensiert wird.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sind zur Kompensation des Einflusses der zweiten Leistungseinheit Stromsollwerte für die erste Leistungseinheit zeitweise verringert.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist das System an der mit dem Versorgungsnetz gekoppelten jeweiligen Leistungseinheit zusätzlich einen mit einer Ladeleitung verbundenen Gleichspannungswandler auf. Innerhalb des Fahrzeugladesystems ist eine Batterie über einen Batterie-Gleichspannungswandler an die Ladeleitung zum Laden einer Fahrzeugbatterie angeschlossen. Der Batterie-Gleichspannungswandler ist dazu konfiguriert, eine Ladespannung der Ladeleitung zu stützen und damit eine durch die Kompensation des Einflusses der zweiten Leistungseinheit bedingte Leistungsminderung der ersten Leistungseinheit auszugleichen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten 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.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt schematisch einen Anschluss zweier Leistungseinheiten eines Fahrzeugladesystems an ein Versorgungsnetz in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein Schaltschema einer Regelung einer ersten Leistungseinheit in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Kompensationsregelung der ersten Leistungseinheit in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Kompensationsregelung der ersten Leistungseinheit in einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 wird schematisch ein Anschluss 100 zweier Leistungseinheiten eines Fahrzeugladesystems an ein Versorgungsnetz 101 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform stellt das Versorgungsnetz 101 einen dreiphasigen Wechselstrom bzw. einen Drehstrom mit einer Netzfrequenz und Neutralleiter 112 bereit. Ein netzseitiger Teil des Fahrzeugladesystems 110 ist über einen Sammelanschluss (Englisch „point of common coupling“, abgekürzt PPC) 111 mit dem Versorgungsnetz 101, welches eine Netzimpedanz aufweist, verbunden. Eine sog. PCC-Spannung am Sammelanschluss 111 entspricht im belastungsfreien Fall einer Netzspannung.
Ist hingegen dort eine Last angeschlossen, wird die PCC-Spannung durch eine Netzimpedanz verzerrt.
Hinter einer netzseitigen Leistungseinheit 115, bspw. ausgeführt als aktives Frontend (AFE) bzw. bidirektionaler Netzinverter, ist zum Übergang zu weiteren Teilen des Fahrzeugladesystems 120 ein galvanisch isolierender Gleichspannungswandler 116, bspw. in LLC- oder dual-active-bridge-(DAB)-Technologie, angeordnet. Noch ein weiteres Element muss zwischen Versorgungsnetz 101 und der Leistungseinheit 115 angeordnet werden, da die Leistungseinheit 115 - neben dem Versorgungsnetz 101 - eine Spannungsquelle darstellt und sich zwei Spannungsquellen sonst nicht vertragen (die Netzimpedanz ist unkontrollierbar und für Ausgleichszwecke an den meisten Orten zu klein). In der Regel wird hierzu ein Filter verwendet. Im einfachsten Fall kann es sich um Induktivitäten auf jeder Phase handeln, welche Tiefpassfilter erster Ordnung für den Strom darstellen. Allerdings können diese sehr groß ausfallen, weshalb meist Filter zweiter Ordnung, bspw. LCL-Filter 114 eingesetzt werden. Jedoch sind Netzfilter zweiter Ordnung prinzipiell resonant, weshalb deren Resonanz gezielt in Bereiche gelegt wird, in welchen sie nicht stören. Meist ist dies deutlich oberhalb einer Grenzfrequenz einer Strom- oder Leistungsregelung (bspw. einige 100 Hz, damit diese nicht Filterresonanzen aktiv treibt) und deutlich unterhalb einer Schaltfrequenz der Leistungseinheit 115 (bspw. hoher einstelliger bis mittlerer zweistelliger kHz-Bereich) der Fall.
Da es sich im erfindungsgemäßen Verfahren um eine schaltend gestaltete Leistungseinheit 115 (bspw. mit Leistungshalbleiterschaltern) handelt, muss zur Unterbindung der Ausbreitung hoher Schaltfrequenzen ins Versorgungsnetz 101 meist noch ein EMV-Filter 113 eingesetzt werden, das hochfrequente Anteile der Schaltflanken glättet.
Die Regelung der Leistungseinheit 115 hat nicht auf das „echte“ Versorgungsnetz 101 Zugriff, sondern kann ihre Messgrößen (d. h. Ströme und Spannungen) nur auf dem ihr zugänglichen Teil messen. Aufgrund einer Resonanzgefahr wird an mehreren Stellen um das LCL-Filter 114 herum gemessen, um entsprechende Messwerte in eine modellbasierte Regelung, bspw. Zustandsregelung, für erhöhte Stabilität einfließen zu lassen. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist dies - an allen drei Phasen des Drehstroms - eine erste Spannungsmessung 117, eine zweite Spannungsmessung 118, und eine Strommessung 119.
In 2 wird ein Schaltschema 200 einer Regelung einer ersten Leistungseinheit 250 in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Ein Sollstrom I_q,soll 213, I_d,soll 223 wird zur Modulation nach inverser Park-Transformation 230 als I_α,soll 234, I_β,soll 235 einem Modulator 239 zugeführt. Aus dem Modulator 239 werden Tastgrade m_u 231, m_v 232 und m_w 233 mit einem Störsignal einer Störeinheit 270, welche einen Oszillator 271 und einen Multiplexer 279 umfasst, addiert und an die Leistungseinheit 250 weitergegeben. Die Leistungseinheit 250 gibt daraufhin von ihr erzeugte Spannungen V_u 251, V_v 252, V_w 253, welche eine Störung enthalten, auf ihren netzseitigen Anschluss. Der Oszillator 271 der Störeinheit 270 leitet sein Signal auch an eine synchrone Demodulation 280, welche gleichfalls Messsignale als Rückantwort auf die Störung erhält. Durch die synchrone Demodulation 280 kann neben einem induktiven Anteil der Netzimpedanz L_netz 281 auch ein resistiver Anteil R_Netz 282 erhalten werden. Die Messsignale werden als Spannungen V_u,mess 261, V_v,mess 262, V_w,mess 263 an eine Phasenregelschleife 260 weitergegeben, welche einen Phasenwinkel θ267 dem Modulator 239 und einer Clarke-Transformation 249 vorgibt. Aus Werten netzseitig fließender Ströme 1" 246, I_v 247, I_w 248 ermittelt die Clarke-Transformation 249 im α/β-System Stromwerte I_α 244, I_β 245 und eine sich direkt anschließende Park-Transformation 240 ermittelt im d/q-System Stromwerte I_q 241, I_d 242. Von einem Stromzielwert I_q,target 211 wird der einem tatsächlich fließenden Strom entsprechende Stromwert I_q 241 abgezogen und als I_q,error 212 einem ersten Proportional-Integral-(PI)-Regler 210 zugeführt. Gleichermaßen wird von einem Stromzielwert I_d,target 221 der einem tatsächlich fließenden Strom entsprechende Stromwert I_d 242 abgezogen und als I_q,error 222 einem zweiten PI-Regler 220 zugeführt. Die jeweiligen Proportional-Integral-Regler 210, 220 weisen einen Verstärkungsfaktor K_I und einen Verstärkungsfaktor K_P auf, wobei erfindungsgemäß der Verstärkungsfaktor K_I im jeweiligen PI-Regler 210, 220 invers zu der durch die Demodulation 280 ermittelten Netzimpedanz 281, 282 adaptiv nachgestellt wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung 300 einer Kompensationsregelung der ersten Leistungseinheit in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch eine Stromlast einer weiteren am Sammelanschluss (Bezugszeichen 111 aus 1) angeschlossenen Last oder Quelle entsteht zwischen der ersten Leistungseinheit und dieser weiteren Last oder Quelle, bspw. einer zweiten Leistungseinheit, eine positive Rückkopplung. Um dabei entstehende kurzzeitige Stromspitzen zu eliminieren wird eine Vorsteuerungskompensation durchgeführt. Hierzu meldet bspw. die zweite Leistungseinheit ihre Stromwerte Î_u 321, Î_v 322, Î_w 323 einer Kompensationseinheit 320, und zwar entweder als Wechselwert über der Zeit oder als Effektivwert. Alternativ könnte das Fahrzeugladesystem einen Summenstrom am Sammelanschluss messen und abzüglich des in der ersten Leistungseinheit fließenden Stromes an die Kompensationseinheit 320 melden. Im Falle einer auf jeder Phase symmetrischen Belastung wäre nur ein einziger Stromwert notwendig.
In der Kompensationseinheit 320 wird eine Spannungsverzerrung ΔV =(ΔV_u, ΔV_v, ΔV_w) durch die Ströme Î_u 321, Î_v 322, Î_w 323 mittels der aus der synchronen Demodulation 280 erhaltenen Netzimpedanz 281, 282 wie folgt abgeschätzt: $Δ V_{i} = R_{N e t z} \cdot {\hat{I}}_{i} + L_{N e t z} \cdot \frac{d}{d t} {\hat{I}}_{i}, i = u, v, w .$
Die Kompensation erfolgt entsprechend der Darstellung 300 möglichst instantan als sog. Vorsteuerung (Feed-Forward) und nicht über eine langsame und von Zeitkonstanten abhängige Rückkopplung (Feed-Back-Teil 330 der Regelung). Als Vorsteuerung wird obige Spannung ΔV bzw. eine linear direkt von dieser abhängigen Größe vom Tastgrad m (Bezugszeichen 231, 232, 233) abgezogen 324. Alternativ erfolgt der Abzug von einer Sollspannung V_α,soll 334, V_β,Soll 335.
Ein Filter 310 kann die Impedanzwerte ein wenig stabilisieren, ist jedoch als optional anzusehen.
In 4 wird eine schematische Darstellung 400 einer weiteren Kompensationsregelung der ersten Leistungseinheit in einer noch anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierbei erfolgt die Vorsteuerung nun auf Wechselgrößen V_x,soll 434, V_y,soll 435 im α/β- bzw. d/q-System (mit x/y entweder α/β oder d/q) zwischen dem Feed-Back-Teil 430 der Regelung und dem Modulator 239. In der Kompensationseinheit 320 muss dabei ein Resultat aus Multiplikation von Netzimpedanz 281, 282 und Strömen 321, 322, 323 auf das entsprechende System (α/β- bzw. d/q) transformiert werden.

Claims

Verfahren zu einer Kompensation einer Netzimpedanz, wobei die Netzimpedanz (281, 282) von einem Versorgungsnetz (101) aufgewiesen wird, wobei von dem Versorgungsnetz (101) ein Wechselstrom mit einer Netzfrequenz bereitgestellt wird, wobei ein Fahrzeugladesystem (100), welches mindestens eine erste Leistungseinheit (115) mit einem Netzinverter (250) und dessen Strom- oder Leistungsregelung (200) aufweist, über einen Sammelanschluss (111) an das Versorgungsnetz (101) angeschlossen wird, wobei die erste Leistungseinheit (115) zusätzlich mehrere Sensoren zu einer Spannungsmessung (117, 118) und/oder einer Strommessung (119) umfasst, wobei in einem ersten Schritt zumindest ein induktiver Anteil der Netzimpedanz (281) gemessen wird, indem von der ersten Leistungseinheit (115) für eine vorgegebene Zeitdauer als ein Störsignal (270) mit vorgegebener Störfrequenz eine Spannungsstörung oder eine Stromstörung erzeugt wird und als ein Messsignal entsprechend ein Strom (246, 247, 248) oder eine Spannung gemessen wird, und wobei in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil der Netzimpedanz (281) eine integrierende Verstärkung (210, 220) der Strom- oder Leistungsregelung (200) des Netzinverters (250) adaptiv angepasst wird, wodurch ein Schwingungsverhalten der ersten Leistungseinheit (115) unterdrückt wird, bei dem das Fahrzeugladesystem (100) zusätzlich eine zweite Leistungseinheit (115) aufweist, wobei eine positive Rückkopplung der zweiten Leistungseinheit (115) auf die adaptive Anpassung der ersten Leistungseinheit (115) an die Netzimpedanz (281, 282) berücksichtigt wird, indem ein Einfluss der zweiten Leistungseinheit (115) auf eine Sammelanschlussspannung geschätzt wird und in der Strom- oder Leistungsregelung (300, 400) der ersten Leistungseinheit (115) über eine Feed-Forward-Schleife (324) kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die Zeitdauer des Störsignals (270) wenige Sekunden unterhalb von zehn Sekunden gewählt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Störfrequenz als eine Zwischenfrequenz gewählt wird, welche zwischen ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes (101) liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei im ersten Schritt zusätzlich ein resistiver Anteil der Netzimpedanz (282) gemessen wird, und im zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil (281) und dem resistiven Anteil (282) der Netzimpedanz die integrierende Verstärkung (210, 220) der Strom- oder Leistungsregelung (200) adaptiv angepasst wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zur Kompensation (320) des Einflusses der zweiten Leistungseinheit (115) Stromsollwerte (234, 235) für die erste Leistungseinheit (115) zeitweise verringert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der induktive Anteil der Netzimpedanz (281) als ein Gleichanteil aus einer synchronen Demodulation (280) von Messsignal und Störsignal (270) erhalten wird.
System zu einer Kompensation einer Netzimpedanz, wobei die Netzimpedanz (281, 282) von einem Versorgungsnetz (101) aufgewiesen wird, wobei das Versorgungsnetz (101) dazu konfiguriert ist, einen Wechselstrom mit einer Netzfrequenz bereitzustellen, wobei das System ein Fahrzeugladesystem (100), welches mindestens eine erste Leistungseinheit (115) mit einem Netzinverter (250) und dessen Strom- oder Leistungsregelung (200) aufweist, umfasst und das System über einen Sammelanschluss (111) an das Versorgungsnetz (101) angeschlossen ist, wobei die erste Leistungseinheit (115) zusätzlich mehrere Spannungssensoren (117, 118) und/oder mehrere Stromsensoren (119) umfasst, wobei das System dazu konfiguriert ist, in einem ersten Schritt zumindest einen induktiven Anteil der Netzimpedanz (281) zu messen, indem von der ersten Leistungseinheit (115) für eine vorgegebene Zeitdauer als Störsignal (270) mit vorgegebener Störfrequenz eine Spannungsstörung oder eine Stromstörung erzeugt wird und als ein Messsignal entsprechend ein Strom (246, 247, 248) oder eine Spannung gemessen wird, und in einem zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil der Netzimpedanz (281) eine integrierende Verstärkung (210, 220) der Strom- oder Leistungsregelung (200) des Netzinverters (250) adaptiv anzupassen, wodurch das System dazu konfiguriert ist, ein Schwingungsverhalten der ersten Leistungseinheit (115) zu unterdrücken, wobei das System zusätzlich eine zweite Leistungseinheit (115) aufweist, wobei das System dazu konfiguriert ist, eine positive Rückkopplung der zweiten Leistungseinheit (115) auf die adaptive Anpassung der ersten Leistungseinheit (115) an die Netzimpedanz (281, 282) zu berücksichtigen, indem ein Einfluss der zweiten Leistungseinheit (115) auf eine Sammelanschlussspannung geschätzt wird und in der Strom- oder Leistungsregelung (300, 400) der ersten Leistungseinheit über eine Feed-Forward-Schleife (324) kompensiert wird..
System nach Anspruch 7, wobei für die Zeitdauer des Störsignals (270) wenige Sekunden unterhalb von zehn Sekunden gewählt sind.
System nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Störfrequenz als eine Zwischenfrequenz gewählt ist, welche zwischen ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes (101) liegt.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das System dazu konfiguriert ist, im ersten Schritt zusätzlich einen resistiven Anteil der Netzimpedanz (282) zu messen, und im zweiten Schritt in Abhängigkeit von dem gemessenen induktiven Anteil (281) und dem resistiven Anteil (282) der Netzimpedanz die integrierende Verstärkung (210, 220) der Strom- oder Leistungsregelung (200) adaptiv anzupassen,
System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem zur Kompensation (320) des Einflusses der zweiten Leistungseinheit (115) Stromsollwerte (234, 235) für die erste Leistungseinheit (115) zeitweise verringert sind.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei in dem ersten Schritt ferner der induktive Anteil der Netzimpedanz (281) als ein Gleichanteil aus einer synchronen Demodulation (280) von Messsignal und Störsignal (270) erhalten wird.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Fahrzeugladesystem (100) an der mit dem Versorgungsnetz (101) gekoppelten jeweiligen Leistungseinheit (115) zusätzlich einen mit einer Ladeleitung (120) verbundenen Gleichspannungswandler (116) aufweist, wobei innerhalb des Fahrzeugladesystems eine Batterie über einen Batterie-Gleichspannungswandler an die Ladeleitung (120) zum Laden einer Fahrzeugbatterie angeschlossen ist, und wobei der Batterie-Gleichspannungswandler dazu konfiguriert ist, eine Ladespannung der Ladeleitung (120) zu stützen und damit eine durch die Kompensation des Einflusses der zweiten Leistungseinheit (115) bedingte Leistungsminderung der ersten Leistungseinheit (115) auszugleichen.