DE112009003738T5

DE112009003738T5 - Wechselrichtersteuerung für netz-kupplungsübergang

Info

Publication number: DE112009003738T5
Application number: DE200911003738
Authority: DE
Inventors: Dachuan Yu; Mahesh Sitaram Illindala; Osama Mohammad Alkhouli
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2012-06-14
Also published as: WO2010080431A2; JP2012513187A; US20100157634A1; WO2010080431A3; CN102326310A; US8068352B2

Abstract

Es wird ein Steuerungssystem für einen Wechselrichter (140) offenbart. Der Wechselrichter kann an ein zum Anschließen und Abtrennen eines Netzes (190) eingerichtetes Schaltschütz (180) angekoppelt sein. Das Steuerungssystem kann eine Vielzahl von Ausgangsspannungsgebern (172–175) und eine Vielzahl von Ausgangsstromgebern (182–185) enthalten. Die Ausgangsspannungsgeber können zum Messen von mindestens zwei Netzspannungen am Schaltschütz eingerichtet sein und die Ausgangsstromgeber können zum Messen von mindestens zwei Netzströmen am Schaltschütz eingerichtet sein, sobald das Netz angeschlossen ist. Das Steuerungssystem kann weiterhin eine mit den Ausgangsspannungsgebern und Ausgangsstromgebern verbundene Steuerung (200) enthalten. Die Steuerung kann zum Bestimmen einer Zielamplitude und einer Zielfrequenz für eine Ausgangsspannung des Wechselrichters eingerichtet sein. Weiterhin kann die Steuerung zum Bestimmen einer Vielzahl von Leistungstransistorschaltimpulsen basierend auf der Zielamplitude und der Zielfrequenz eingerichtet sein. Das Steuerungssystem kann auch eine mit der Steuerung und dem Wechselrichter verbundene Schnittstellenschaltung (210) enthalten. Die Schnittstellenschaltung kann zum Bereitstellen der Leistungstransistorschaltimpulse für den Wechselrichter eingerichtet sein.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft Wechselrichtersteuerung für Netz-Kupplungsübergang und insbesondere Inselbildung verhindernde Wechselrichtersteuerung für Netz-Kupplungsübergang.
Hintergrund
Ein Stromversorgungssystem kann verteilte Stromquellen wie beispielsweise photovoltaischen Gleichstrom oder Brennstoffzellen-Gleichstrom zur Bereitstellung einer Stromversorgung für verteilte Stromversorgungsunternehmen enthalten. Zwischen der Stromquelle und den Verbrauchern wird gewöhnlich zum Anpassen der Stromversorgung an die Stromnutzung ein Wechselrichter benutzt. Beispielsweise kann ein Stromversorgungssystem ein dreiphasiges Wechselrichtermodul enthalten, das den Gleichstrom in dreiphasigen Wechselstrom umrichtet. Der dreiphasige Wechselstrom kann den Verbrauchern zugeführt werden.
Von der Stromversorgung werden gewöhnlich zwei Arten von Verbrauchern parallel angetrieben: interne kritische Verbraucher, die den örtlichen Verbrauchern an der verteilten Stromquelle zugeordnet sind, und Netzverbraucher, die unter verschiedenen Stromversorgungsunternehmen verteilt sind. Die Netzverbraucher können über ein Ausgangsschaltschütz mit dem Wechselrichter verbunden sein. Wenn die Netzverbraucher angeschlossen sind, wird davon gesprochen, dass der Wechselrichter in einem „Netz-Kupplungs-”Modus arbeitet, und wenn die Netzverbraucher abgetrennt sind, wird davon gesprochen, dass der Wechselrichter in einem „freistehenden” Modus arbeitet. Wenn es beispielsweise ein Kurzschlussproblem auf der Stromübertragungsleitung gibt, werden die Netzverbraucher abgetrennt und die einzigen durch den Strom versorgten Verbraucher werden interne kritische Verbraucher sein.
Während des „Netz-Kupplungs-”Modus und des „freistehenden” Modus kann die Funktionsweise des Wechselrichters wesentlich unterschiedlich sein. Wenn die Netzverbraucher plötzlich abgetrennt werden, beispielsweise aufgrund eines Übertragungsleitungskurzschlusses, kann daher die Steuerung des Wechselrichters von einer Betriebsweise zur anderen Betriebsweise springen. Ein solcher unglatter Übergang von einem „Netz-Kupplungs-”Modus zu einem „freistehenden” Modus ist typischerweise als ein „Inselbildungs-”Zustand bekannt.
Herkömmlicherweise müssen zum Aufrechterhalten der Funktionsweise des Wechselrichters zwei getrennte Leistungssteuerungen getrennt für die zwei Betriebsweisen eingerichtet sein. Beispielsweise kann eine Steuerung im „Netz-Kupplungs-”Modus arbeiten, wenn die Netzverbraucher angeschlossen sind, und die andere Steuerung kann die Kontrolle übernehmen und im freistehenden Modus arbeiten, wenn die Netzverbraucher abgetrennt sind. Das Umschalten zwischen den zwei Leistungssteuerungen kann jedoch verschiedene Probleme verursachen. Beispielsweise kann es einen Spannungseinbruch verursachen, der einen empfindlichen örtlichen Verbraucher wie beispielsweise einen frequenzgesteuerten Antrieb (VFD – Variable Frequency Drive) abschalten kann.
In dem Ichinose et al. erteilten US-Patent Nr. 6,304,468 („das 468-Patent”) ist ein zum Verhindern eines Überstroms während des Übergangs zwischen den zwei Betriebsweisen ausgelegtes Stromrichtersystem beschrieben. Das im 468-Patent beschriebene Stromrichtersystem enthält einen einen Verbraucher an das Stromversorgungssystem anschließenden Leistungsschalter. Wenn der Leistungsschalter geschlossen ist, kann der Stromrichter von einer selbstgeführten Funktionsweise zu einer netzverbundenen Funktionsweise umwechseln. Das 468-Patent beschreibt eine Stromrichtersteuerung, die die Phase einer Ausgangsspannung des Stromrichters an die Phase der Netzspannung anpasst. Insbesondere benutzt die Stromrichtersteuerung die Spannung an der Netzseite des Leistungsschalters zum Einstellen der Ausgangsphase des Stromrichtersystems. Gemäß dem 468-Patent kann der Leistungsschalter geschlossen werden, wenn die Ausgangsphase mit der Phase der Netzspannung zusammentrifft.
Obwohl das im 468-Patent beschriebene Stromrichtersystem zur Durchführung des Übergangs zwischen den zwei Betriebsweisen wirksam sein kann, kann es trotzdem suboptimal sein. Beispielsweise ist das im 468-Patent beschriebene Stromrichtersystem möglicherweise nicht robust, da es keine wirkungsvollen Inselbildungenerkennungs- und -verhinderungsfunktionen aufweist. Wenn daher ein Inselbildungszustand auftritt, kann während des Übergangs vom netzverbundenen Betrieb zum selbstgeführten Betrieb ein Spannungseinbruch auftreten. Als Ergebnis können örtliche Verbraucher wie beispielsweise VFD aufgrund des Spannungseinbruchs abgeschaltet werden und das Stromversorgungssystem kann funktionsunfähig gemacht werden.
Zusätzlich kann eine Wechselspannung durch drei Parameter, Amplitude, Frequenz und Phase gekennzeichnet sein. Obwohl die Stromrichtersteuerung des 468-Patents die Phase der Stromrichterausgangsspannung an die Netzspannung anpasst, passt sie die Amplitude und Frequenz dieser zwei Spannungen nicht effektiv an. Aus diesem zusätzlichen Grund erreicht das im 468-Patent beschriebene Stromrichtersystem möglicherweise nicht einen glatten Netz-Kupplungsübergang.
Das offenbarte Wechselrichtersteuerungssystem und -verfahren sind auf die Überwindung eines oder mehrerer der oben aufgeführten Probleme gerichtet.
Kurze Beschreibung
In einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Steuerungssystem für einen Wechselrichter gerichtet. Der Wechselrichter kann zum Zuführen von Strom zu einem Netz eingerichtet sein. Das Steuerungssystem kann eine Vielzahl von Ausgangsspannungsgebern und eine Vielzahl von Ausgangsstromgebern zum Messen von Ausgangsleitungsspannungen und Ausgangsleitungsströmen des Wechselrichters enthalten. Das Steuerungssystem kann weiterhin eine an den Wechselrichter angekoppelte Steuerung enthalten. Die Steuerung kann zum Bereitstellen eines einer Störungsfrequenz zugeordneten Steuerungssignals für den Wechselrichter eingerichtet sein. Die Steuerung kann weiterhin zum Bestimmen einer Ausgangsleistung des Wechselrichters basierend auf den Ausgangsleitungsspannungen und Ausgangsleitungsströmen und Bestimmen einer durch die Störungsfrequenz verursachten Schwingungsamplitude in der Ausgangsleistung eingerichtet sein. Auch kann die Steuerung zum Erkennen eines Inselbildungszustands eingerichtet sein, wenn die Schwingungsamplitude unter einem Schwellwert liegt. Weiterhin kann das Steuerungssystem eine an die Steuerung angekoppelte und zum Abtrennen des Netzes vom Wechselrichter bei Erkennung des Inselbildungszustands eingerichtete Schnittstellenschaltung enthalten.
In einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Steuerungsverfahren für einen Wechselrichter gerichtet. Der Wechselrichter kann zum Zuführen von Strom zu einem Netz eingerichtet sein. Das Steuerungsverfahren kann Bereitstellen eines einer Störungsfrequenz zugeordneten Steuerungssignals zum Wechselrichter und Bestimmen einer Schwingungsamplitude in einer Ausgangsleistung des Wechselrichters enthalten, wobei die Schwingung durch die Störungsfrequenz verursacht wird. Das Steuerungsverfahren kann weiterhin Erkennen eines Inselbildungszustands enthalten, wenn die Schwingungsamplitude unter einem Schwellwert liegt. Auch kann das Steuerungsverfahren Abtrennen des Netzes vom Wechselrichter bei Erkennung des Inselbildungszustands enthalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein beispielhaftes Stromversorgungssystem mit einem Steuerungssystem für einen Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt eine beispielhafte Steuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 bietet ein ein beispielhaftes Wechselrichtersteuerungsverfahren darstellendes Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 bietet ein beispielhaftes Regelungsschema der in 2 offenbarten Steuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 bietet ein ein beispielhaftes Höchstpunkt-Leistungsverfolgungsverfahren darstellendes Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt ein beispielhaftes Stromversorgungssystem 100 mit einem Steuerungssystem für einen Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Stromversorgungssystem 100 kann eine oder mehrere Stromquellen wie beispielsweise Brennstoffzellen-Stromquelle 110 und photovoltaische Stromquelle 120, ein Eingangsschaltschütz 130, einen Wechselrichter 140, ein Ausgangs-L-C-Filter 150, einen Netztransformator 160, einen kritischen Verbraucher 170, ein Ausgangsschaltschütz 180 und ein Netz 190 enthalten. Die Funktionsweise des Stromversorgungssystems 100 kann durch ein Steuerungssystem gesteuert werden, das verschiedene Spannungs- und Stromgeber (z. B. Spannungsgeber 171–175 und Stromgeber 181–185), eine Steuerung 200 und eine die Steuerung 200 an eine oder mehrere Komponenten des Stromversorgungssystems 100 und die verschiedenen Spannungs- und Stromgeber ankoppelnde Schnittstellenschaltung 210 enthalten kann.
Das Stromversorgungssystem 100 kann die durch eine oder mehrere Stromquellen bereitgestellte Leistung umwandeln und die Leistung den mit dem System verbundenen Verbrauchern zuführen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die eine oder die mehreren Stromquellen dem Stromversorgungssystem 100 Gleichstrom zuführen. In einigen Ausführungsformen kann das Stromversorgungssystem 100 erneuerbare Stromquellen mit herkömmlichen Brennstoff basierenden Stromquellen wie beispielsweise Dieselenergie kombinieren. In einigen anderen Ausführungsformen kann das Stromversorgungssystem 100 auch mehrere erneuerbare Stromquellen wie beispielsweise Brennstoffzellenstromquelle 110 und photovoltaische Stromquelle 120 kombinieren. Es wird in Betracht gezogen, dass in dem Stromversorgungssystem 100 beliebige sonstige geeignete Gleichstromquellen aufgenommen sein können.
Eingangsschaltschütz 130 kann ein Leistungsschalter sein, der entfernt ein- und ausgeschaltet werden kann. Wenn das Eingangsschaltschütz 130 geschlossen ist, sind Stromquellen 110 und 120 so mit dem Stromversorgungssystem 100 verbunden, dass dem Stromversorgungssystem 100 Gleichstrom zugeführt werden kann. Ansonsten sind bei offenem Eingangsschaltschütz 130 die Stromquellen 110 und 120 vom Stromversorgungssystem 100 abgetrennt und das Stromversorgungssystem 100 kann abgeschaltet werden.
Wenn das Eingangsschaltschütz 130 geschlossen ist, kann der Wechselrichter 140 zum Umrichten des von den Stromquellen 110 und 120 zugeführten Gleichstroms in einen Wechselstrom eingerichtet sein, der den Verbraucherbedürfnissen entspricht. Beispielsweise kann der Wechselrichter 140 Wechselspannungs- und/oder Stromausgaben zum Antreiben des kritischen Verbrauchers 170 und/oder des Netzes 190 bereitstellen. Es wird in Betracht gezogen, dass das Stromversorgungssystem 100 mehr als einen Wechselrichter enthalten kann. Die mehreren Wechselrichter können parallel geschaltet werden und jeweils zum Umrichten eines Teils des Gleichstroms eingerichtet sein.
Der Wechselrichter 140 kann mindestens eine Phase aufweisen und jede Phase kann mindestens einen Leistungstransistor enthalten. Beispielsweise kann wie in 1 gezeigt der Wechselrichter 140 drei Phasen und sechs Leistungstransistoren aufweisen, sodass er einen Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom umrichten kann. Jeder Leistungstransistor kann von seiner entsprechenden Gate-Steuerschaltung ein- und ausgeschaltet werden. Zum Zweck der Darstellung sind IGBT in der vorliegenden Offenbarung gezeigt und besprochen. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass das offenbarte System und Verfahren auf andere geeignete Leistungstransistoren einschließlich von aber nicht begrenzt auf BJT, die Darlington-Vorrichtung und MOSFET anwendbar sein können.
Die Leistungstransistoren können zum Modulieren der vom Wechselrichter 140 ausgegebenen Spannung nach einem Schaltschema wie beispielsweise Impulsbreitenmodulation (PWM – Pulse Width Modulation) geschaltet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 200 über die Schnittstellenschaltung 210 zum Bereitstellen von Gate-Steuersignalen für die Leistungstransistoren an den Wechselrichter 140 angekoppelt sein.
Das Ausgangs-L-C-Filter 150 kann zum Filtern der Wechselstromausgabe des Wechselrichters 140 eingerichtet sein. Beispielsweise kann eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz von den Verbrauchern gewünscht sein, aber die Wechselstromausgabe des Wechselrichters 140 kann gewöhnlich Oberwellen und/oder Geräusche anderer Frequenzen enthalten. Das Ausgangs-L-C-Filter 150 kann zum Ausfiltern dieser Oberwellen und/oder Geräusche vor Zuführung der Wechselspannung zu den Verbrauchern eingerichtet sein. In einigen Ausführungsformen kann das Ausgangs-L-C-Filter 150 eine gleiche Anzahl von Phasen wie der Wechselrichter 140 aufweisen. Jede Phase kann eine oder mehrere (gewöhnlich mit „L” bezeichnete) Induktivitäten und einen oder mehrere (gewöhnlich mit „C” bezeichnete) Kondensatoren enthalten.
Das Stromversorgungssystem 100 kann weiterhin einen Netztransformator 160 zum Einstellen der Wechselspannung auf einen gewünschten Pegel enthalten. Der Netztransformator 160 kann elektrisch an das Ausgangs-L-C-Filter 150 angekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen kann der Netztransformator 160 eine gleiche Anzahl von Phasen wie der Wechselrichter 140 und das Ausgangs-L-C-Filter 150 aufweisen. Jede Phase kann eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung induktiv gekoppelter Drähte enthalten und kann zum Skalieren der induzierten Sekundär-Wechselspannung von der Primär-Wechselspannung um einen Faktor gleich dem Verhältnis der Anzahl von Drahtwindungen in ihren entsprechenden Wicklungen eingerichtet sein. Beispielsweise kann der Netztransformator 160 einen Skalierungsfaktor 1:2 aufweisen, sodass eine Spannung von 190 Volt auf 380 Volt aufwärtstransformiert werden kann. In einigen Ausführungsformen kann, wenn die Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 den gewünschten Pegel aufweist, der Netztransformator 160 weggelassen werden.
Vom Stromversorgungssystem 100 können zwei Arten Verbraucher angetrieben werden. Eine Art Verbraucher ist der kritische Verbraucher 170, die dem Stromversorgungssystem 100 zugeordnete örtliche Verbraucher sind. Beispiele eines kritischen Verbrauchers 170 können beispielsweise Widerstände, Induktoren und Kondensatoren an Stromquellen 110 und 120 einschließen. Die andere Art Verbraucher ist das Netz 190, das aus entfernt unter verschiedenen Stromversorgungsunternehmen und verteilten Verbrauchern besteht. Beispiele des Netzes 190 können beispielsweise Verbraucherelektronik in verschiedenen Haushalten, Fabriken, Büroeinrichtungen, verteilte Kraftwerke und verteilte Stromquellen einschließen. Wenn Stromquellen mit dem Stromversorgungssystem 100 als ein Netz 190 verbunden sind, können sie als Stromgeneratoren wirken, die Strom wieder in das Stromversorgungssystem 100 einspeisen, anstatt von Stromverbrauchern.
In einigen Ausführungsformen kann das Netz 190 über ein Ausgangsschaltschütz 180 mit dem Stromversorgungssystem 100 verbunden sein. Ähnlich wie das Eingangsschaltschütz 130 kann das Ausgangsschaltschütz 180 ein Leistungsschalter sein, der entfernt ein- und ausgeschaltet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann das Ausgangsschaltschütz 180 eine gleich Anzahl von Phasen wie der Wechselrichter 140 und das Ausgangs-L-C-Filter 150 aufweisen und jede Phase kann einen Leistungsschalter enthalten. Wenn das Ausgangsschaltschütz 180 geschlossen ist, ist das Netz 190 mit dem Stromversorgungssystem 100 verbunden. Dementsprechend kann der Wechselrichter 140 in einem „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus zum Zuführen von Wechselstrom zum kritischen Verbraucher 170 sowie dem Netz 190 arbeiten. Ansonsten ist, wenn das Ausgangsschaltschütz 180 offen ist, das Netz 190 vom Stromversorgungssystem 100 abgetrennt. Dementsprechend kann der Wechselrichter 140 in einem „freistehenden” Betriebsmodus zum Zuführen von Wechselstrom nur zum kritischen Verbraucher 170 arbeiten. Das Netz 190 kann auch aus anderen Gründen als dem physikalischen Wechsel des Ausgangsschaltschützes 180 abgetrennt sein. Beispielsweise kann am Netz 190 oder der Übertragungsleitung ein Kurzschluss eintreten. In diesen Fällen können Inselbildungszustände auftreten und die Funktion des Wechselrichters 140 kann sofort zum Schützen des Stromversorgungssystems 100 auf „freistehenden” Modus eingestellt werden.
Im Vergleich zum kritischen Verbraucher 170 können Verbraucher des Netzes 190 bedeutend höher liegen. Infolge dessen kann ein Wechsel zwischen zwei Betriebsmodi die Leistungsbedürfnisse des Stromversorgungssystems 100 bedeutend ändern. Das heißt der „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus und „freistehende” Betriebsmodus können sich voneinander unterscheiden. Daneben wird während des „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus der Stromfluss durch den Phasen- und Spannungsunterschied zwischen zwei Spannungsquellen entschieden. Wenn daher der Übergang zwischen den zwei Betriebsmodi nicht glatt verläuft, können verschiedene Probleme auftreten, die die Zuverlässigkeit und den Wirkungsgrad des Stromversorgungssystems 100 beeinflussen.
Zum Vermeiden oder Lindern dieser Übergangsprobleme kann ein Steuerungssystem eingeschlossen werden. Wie in 1 gezeigt, kann das Steuerungssystem verschiedene Spannungs- und Stromgeber (z. B. Spannungsgeber 171–175 und Stromgeber 181–185), eine Steuerung 200 und eine Schnittstellenschaltung 210 enthalten, die die Steuerung 200 an eine oder mehrere Komponenten des Stromversorgungssystems 100 und die verschiedenen Spannungs- und Stromgeber ankoppelt. Es wird in Betracht gezogen, dass das Steuerungssystem mehr Komponenten als die in 1 gezeigten enthalten kann.
Der Spannungsgeber 171 kann ein zum Messen der Eingangsgleichspannung in der Nähe des Eingangsschaltschützes 130 eingerichteter Gleichspannungsgeber sein. Auf ähnliche Weise kann der Stromgeber 181 ein zum Messen des Eingangsgleichstroms in der Nähe des Eingangsschaltschützes 130 eingerichteter Gleichstromgeber sein. Spannungsgeber 172–175 können zum Messen von Netzwechselspannungen eingerichtete Wechselspannungsgeber sein. Beispielsweise können die Spannungsgeber 172 und 173 die Netzspannungen am Ausgangs-L-C-Filter 150 messen und die Spannungsgeber 174 und 175 können die Netzspannungen an einem unmittelbar nach dem Netztransformator 160 liegenden Punkt messen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Netzwechselspannung die Spannung zwischen zwei Wechselstromleitungen, wobei jede Stromleitung einer Phase der Spannung entspricht. Beispielsweise misst der Spannungsgeber 174 die Netzspannung zwischen Phase „a” und Phase „b” und der Spannungsgeber 175 misst die Netzspannung zwischen Phase „b” und Phase „c”. Dementsprechend können die Stromgeber 182–185 zum Messen von Netzwechselströmen eingerichtete Wechselstromgeber sein. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Netzwechselstrom der eine Wechselstromleitung durchfließende Strom. Beispielsweise messen die Stromgeber 182 und 184 die Netzströme zur Phase „a” am Ausgangs-L-C-Filter 150 bzw. dem Netztransformator 160.
Die Spannungs- und Strommessungen können zur Steuerung 200 über Kommunikationsleitungen wie beispielsweise eine Datenverbindung und Schnittstellenschaltung 210 übermittelt werden. Die Schnittstellenschaltung 210 kann eine oder mehrere zum Kommunizieren mit verschiedenen Komponenten des Stromversorgungssystems 100 betreibbare Leiterplatten, die Spannungsgeber und Stromgeber und die Steuerung 200 enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Schnittstellenschaltung 210 eine oder mehrere Kommunikationsvorrichtungen wie beispielsweise eine Netzkarte, einen drahtlosen Sender/Empfänger oder eine beliebige sonstige Vorrichtung zum Bereitstellen einer Kommunikationsschnittstelle zwischen der Steuerung 200 und anderen Komponenten enthalten. Beispielsweise kann die Schnittstellenschaltung 210 Messungen von Spannungs- und Stromgebern 171–175 und 181–185 einsammeln. Als weiteres Beispiel kann die Schnittstellenschaltung 210 durch die Steuerung 200 bestimmt Schaltsignale für die Gates von IGBT im Wechselrichter 140 bereitstellen. Auch kann die Schnittstellenschaltung 210 Steuersignale zum Eingangsschaltschütz 130 und Ausgangsschaltschütz 180 zum entfernten Ein- und Ausschalten derselben senden.
Die Steuerung 200 kann über die Schnittstellenschaltung 210 an verschiedene Komponenten des Stromversorgungssystems 100 angekoppelt sein. Die Steuerung 200 kann zum Erkennen eines Inselbildungszustandes eingerichtet sein, wenn das Netz 190 plötzlich abgetrennt wird, und sofort aus dem „Netz-Kupplungs-”Modus in den „freistehenden” Modus übergehen. Die Steuerung 200 kann Steuersignale für den Wechselrichter 140 während des Übergangs bereitstellen. Beispielsweise kann die Steuerung 200 zum Bestimmen einer Zielamplitude und Zielfrequenz für eine Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 eingerichtet sein. Die Steuerung 200 kann weiterhin zum Bestimmen einer Vielzahl von Leistungstransistor-Schaltimpulsen basierend auf der Zielamplitude und der Zielfrequenz eingerichtet sein.
2 zeigt eine beispielhafte Steuerung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Steuerung 200 kann ein beliebiges Mittel zum Einsammeln, Auswerten, Überwachen, Speichern, Berichten, Analysieren, Optimieren und/oder Übermitteln von Daten enthalten. Beispielsweise kann die Steuerung 200 eine Zentraleinheit (ZE) 201, einen Direktzugriffsspeicher (RAM – Random Access Memory) 202, einen Nurlesespeicher (ROM – Read Only Memory) 203, einen Speicher 204, eine Datenbank 205 und eine Benutzeroberfläche 206 enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Schnittstellenschaltung 210 als interne Komponente der Steuerung 200 enthalten sein. Die Steuerung 200 kann zum Ausführen und Betreiben von Softwareprogrammen eingerichtet sein, die verschiedene, dem Stromversorgungssystem 100 zugeordnete Daten einsammeln, analysieren, übertragen, gliedern und/oder überwachen.
Die ZE 201 kann einen oder mehrere Prozessoren enthalten, die zum Durchführen eines oder mehrerer dem Stromversorgungssystem 100 zugeordneter Verfahren Anweisungen ausführen und Daten verarbeiten können. Beispielsweise kann die ZE 201 Software ausführen, die der Steuerung 200 das Anfordern und Empfangen von Spannungs- und Strommessungen von einem oder mehreren Spannungsgebern 171–175 und Stromgebern 181–185 ermöglicht. Basierend auf den eingesammelten Spannungs- und Strommessungen kann die ZE 201 eine Ausgangsleistung des Wechselrichters 140 berechnen und bestimmen, ob ein Inselbildungszustand aufgetreten ist. Beispielsweise kann die ZE 201 eine Schwingungsmenge in der Ausgangsleistung erkennen. Im Fall eines Inselbildungszustandes kann die ZE 201 Steuersignale zum Einstellen der Funktionsweise des Wechselrichters 140 bestimmen. Beispielsweise kann die ZE 201 die von den Stromquellen 110 und 120 zugeführte Gleichstrom-Eingangsleistung berechnen und die vom kritischen Verbraucher 170 und Netz 190 verlangte Wechselstromausgangsleistung berechnen. Dann kann die ZE 201 eine Zielamplitude und eine Zielfrequenz für eine Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 berechnen, sodass die Zuführung dem Bedarf angepasst ist. Die ZE 201 kann weiterhin Softwarewerkzeuge wie beispielsweise einen Impulsbreitenmodulator (PWM – Pulse Width Modulator) zum Bestimmen von Leistungstransistor-Schaltimpulsen basierend auf der Zielamplitude und der Zielfrequenz ausführen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Speicher 204 eine Massenmedienvorrichtung zum Speichern einer beliebigen Art von durch die ZE 201 benötigten Information zum Durchführen von dem Stromversorgungssystem 100 zugeordneten Steuerungsverfahren betreibbar sein. Beispielsweise kann der Speicher 204 die dem Stromversorgungssystem 100 zugeordneten gesammelten Gleich- und Wechselspannungen und -ströme speichern. Der Speicher 204 kann eine oder mehrere magnetische oder optische Plattenvorrichtungen wie beispielsweise Festplattenlaufwerke, CD-ROM, DVD-ROM, USB-Flash-Laufwerke oder beliebige sonstige Art von Massenmedienvorrichtung enthalten.
Die Datenbank 205 kann eine Ansammlung von auf einer oder mehreren Speichervorrichtungen gespeicherten Daten enthalten. Die Datenbank 205 kann von der ZE 201 benutzte Daten enthalten. Beispielsweise kann die Datenbank 205 die gesammelten Spannungen und Ströme, bestimmte Zielamplitude und -frequenz der Wechselrichterausgangsspannung und Schaltimpulsinformationen zum Ansteuern der Leistungstransistoren enthalten.
Die Benutzerschnittstelle 206 kann Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die einem Benutzer das Eingeben von oder Zugreifen auf in der Steuerung 200 benutzte Informationen erlauben. Die Benutzerschnittstelle 206 kann eine graphische Benutzeroberfläche (GUI – Graphical User Interface) enthalten, die externen Benutzern das Eingeben von Steueranweisungen erlaubt. Beispielsweise können die externen Benutzer anweisen, das Netz 190 anzuschließen oder vom Stromversorgungssystem 100 abzutrennen. Auch kann die Benutzeroberfläche 206 einem Benutzer erlauben, die Funktionen des Stromversorgungssystems 100 zu überwachen. Beispielsweise kann die Benutzeroberfläche 206 eine Datenzugriffsschnittstelle enthalten, die externen Benutzern das Zugreifen auf, Einrichten, Speichern und/oder Herunterladen von Informationen zu externen Systemen wie beispielsweise Computern, PDA, Diagnosewerkzeugen oder beliebiger sonstiger Art von externer Datenvorrichtung erlaubt. Weiterhin kann die Benutzeroberfläche 206 einem Benutzer das Zugreifen auf und/oder Übersteuern von durch die ZE 201 getroffenen Steuerungsentscheidungen erlauben.
3 bietet ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Wechselrichtersteuerungsverfahren 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Das Wechselrichtersteuerungsverfahren 300 kann beginnen, wenn das Eingangsschaltschütz 130 geschlossen wird und das Stromversorgungssystem 100 eingeschaltet ist. Die Steuerung 200 kann bestimmen, ob eine Anweisung zum Anschließen des Netzes 190 empfangen wird (Schritt 301). Beispielsweise kann ein Benutzer die Anweisung über die Benutzeroberfläche 206 eingeben.
Bei Empfang der Anweisung (Schritt 301: Ja) kann die Steuerung 200 zum Synchronisieren des Wechselrichters 140 mit dem Netz 190 (Schritt 302) vor Schließen des Schaltschützes 180 eingerichtet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 200 die Wechselstromleistung am kritischen Verbraucher 170 berechnen und die Ausgangsnetzspannungen am Wechselrichter 140 entsprechend einer Differenz zwischen der berechneten Leistung und einer Bezugsleistung einstellen. Beispielsweise kann zum Einstellen der Ausgangsnetzspannungen die Steuerung 200 Schaltimpulse zum Ansteuern der Leistungstransistoren des Wechselrichters 140 bereitstellen. Nachdem der Wechselrichter 140 mit dem Netz 190 synchronisiert ist, kann die Steuerung 200 ein Steuerungssignal zum Schließen des Ausgangsschaltschützes 180 senden (Schritt 303).
Nachdem der Ausgangsschaltschütz 180 geschlossen ist, kann die Steuerung 200 „Netz-Kupplungs-”Modussteuerung an den Wechselrichter 140 anlegen (Schritt 304). Beispielsweise kann die Steuerung 200 eine Zielamplitude („|Vinv|”) und eine Zielfrequenz („finv”) für eine Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 berechnen, sodass die durch die Stromquellen 110 und 120 zugeführte Gleichstromeingangsleistung mit der vom kritischen Verbraucher 170 und dem Netz 190 verlangten Ausgangswechselstromleistung übereinstimmen kann. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 200 die Zielamplitude und Zielfrequenz unter Verwendung von zwei getrennten Rückkopplungsschleifen ableiten. Einzelheiten des Rückkopplungsregelungsschemas werden in Verbindung mit 4 beschrieben. Die Steuerung 200 kann weiterhin Leistungstransistorschaltimpulse bestimmen und die Schaltimpulse für den Wechselrichter 140 über die Schnittstellenschaltung 210 bereitstellen.
Zusätzlich zu der regelmäßigen „Netz-Kupplungs-”Modussteuerung kann die Steuerung 200 eine Störfrequenz zu der Zielspannungsfrequenz des Wechselrichters 140 hinzufügen (Schritt 305). In einigen Ausführungsformen kann eine sinusförmige Störungsfrequenz der Zielspannungsfrequenz zugefügt werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Störungsfrequenz als innerhalb der Bandbreite des Regelungssystems liegend ausgewählt werden. Wenn das Netz 190 angeschlossen ist, kann die durch den Wechselrichter 140 abgegebene Ausgangsleistung um die gewünschte Leistung des Netzes 190 und des kritischen Verbrauchers 170 herum schwingen. In einigen Ausführungsformen kann die Amplitude der Störungsfrequenz sehr gering sein, um die Leistungsschwingung auf einem annehmbaren Pegel zu halten. Wenn jedoch ein Inselbildungszustand auftritt und die Verbraucher und Wechselrichter 140 aneinander angepasst sind, kann die Ausgangsleistung des Wechselrichters 140 nicht schwingen, da die Verbraucher nur feste Leistungsmengen aus dem Wechselrichter 140 entnehmen können. Der Inselbildungszustand kann daher auf Grundlage der Amplitude der Schwingung in der Ausgangsleistung erkannt werden.
In Schritt 306 kann die Steuerung 200 fortlaufend Wechselspannungs- und Strommessungen von den Spannungsgebern 174 und 175 und Stromgebern 184 und 185 in der Nähe des Netztransformators 160 empfangen. Der Spannungsgeber 174 kann die Netzspannung zwischen Phase „a” und Phase „b” („Vtab”) messen und der Spannungsgeber 175 kann die Netzspannung zwischen Phase „b” und Phase „c” („Vtbc”) messen.
Dementsprechend messen die Stromgeber 184 und 185 die Ströme der Phase „a” („Ita”) bzw. Phase „c” („Itc”).
Auf Grundlage der Spannungs- und Strommessungen kann die Steuerung 200 eine aktive Leistung P berechnen (Schritt 307). In einer Gleichstromschaltung sind Spannungs- und Stromwellenformen gleichphasig und ändern ihre Polarität im gleichen Moment in jedem Zyklus. Eine Gleichstromleistung nimmt daher stets einen Realwert an. Im Gegensatz zu einer Gleichstromleistung kann eine Wechselstromleistung einen komplexen Wert annehmen in Abhängigkeit von der Eigenschaft der Systemverbraucher. Wo beispielsweise reaktive Verbraucher gegenwärtig sind, wie beispielsweise mit Kondensatoren oder Induktoren, kann Energiespeicherung in den Verbrauchern eine Zeitdifferenz zwischen den Strom- und Spannungswellenformen ergeben. Der zur Durchführung von Arbeit verfügbare Leistungsteil (d. h. der Realteil des Komplexwertes) wird Wirkleistung genannt (auch als Realleistung bekannt), und der nicht zur Durchführung von Arbeit am Verbraucher verfügbare Leistungsteil wird Blindleistung genannt (d. h. der Imaginärteil des Komplexwertes). Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Steuerung 200 eine auf den Spannungs- und Strommessungen im Schritt 305 basierende komplexe Wechselstromleistung berechnen. Die Steuerung 200 kann den Realteil der komplexen Leistung als Wirkleistung P im Schritt 307 annehmen.
Aufgrund der im Schritt 304 zugefügten Störung kann die Aktivleistung P eine Schwingung enthalten. Im Schritt 308 kann die Amplitude der Schwingung erkannt werden. In einigen Ausführungsformen kann an die berechnete Wirkleistung P ein Bandpassfilter (BPF) angelegt werden und die Amplitude der Schwingung in der gefilterten Wirkleistung kann durch einen Amplitudendetektor erkannt werden. An die erkannte Amplitude kann eine Inselbildungslogik angelegt werden (Schritt 309). Beispielsweise kann die Inselbildungslogik zum Bestimmen benutzt werden, ob die Schwingungsamplitude unter einem Schwellwert liegt. In einigen Ausführungsformen kann der Schwellwert ein durch den Benutzer ausgewählter Nennwert sein. Auf Grundlage der Inselbildungslogik kann die Steuerung 200 bestimmen, ob ein Inselbildungszustand aufgetreten ist (Schritt 310). Wenn beispielsweise die Amplitude unter einem Schwellwert liegt, kann der Inselbildungszustand erkannt werden (Schritt 310: Ja). Dementsprechend kann die Steuerung 200 das Ausgangsschaltschütz 180 zum Schützen des Stromversorgungssystems 100 öffnen (Schritt 311). Ansonsten kann bei Erkennung keines Inselbildungszustands (Schritt 310: Nein) die Steuerung 200 weiterhin „Netz-Kupplungs-”Modussteuerung an den Wechselrichter 140 anlegen (Schritt 304).
Nachdem das Ausgangsschaltschütz 180 geöffnet ist oder wenn keine Anweisung empfangen wird (Schritt 301: Nein) kann in Schritt 312 die Steuerung 200 die Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 als eine Nennspannungsamplitude einstellen („|Vnom|”). Auch kann die Steuerung 200 die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 als eine Nennspannungsfrequenz („fnom”) einstellen. In einigen Ausführungsformen können die Nennamplitude |Vnom| und Nennfrequenz fnom vorbestimmt und in die Steuerung 200 eingeschrieben werden. Beispielsweise können |Vnom| und fnom auf Grundlage der durch Stromquellen 110 und 120 zugeführten Eingangsgleichstromleistung wie auch des kritischen Verbrauchers 170 bestimmt werden. Das Wechselrichtersteuerungsverfahren 300 kann nach dem Schritt 312 abgeschlossen sein.
4 bietet ein beispielhaftes Regelungsschema 400 der in 2 offenbarten Steuerung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Regelungsschema 400 kann zum Erkennen von Inselbildungszuständen und Ableiten der Wechselrichterspannungsamplitude („|V|”) und Wechselrichterspannungsfrequenz („fv”) für sowohl „Netz-Kupplungs-”Betrieb als auch „freistehenden” Betrieb benutzt werden. Das in 4 gezeigte Regelungsschema 400 kann zwei Rückkopplungsschleifen für |V| bzw. fv enthalten.
Das Rückkopplungsregelschema 400 kann Schalter 421–425 enthalten. Jeder Schalter kann zwei Schaltzustände aufweisen: Eine obere Stellung („1-Stellung”) und eine untere Stellung („0-Stellung”). Schalten von einem oder mehreren der Schalter 421–425 kann das Rückkopplungsregelschema 400 an zwei verschiedene Betriebsmodi anpassen: „Freistehenden” Betriebsmodus und „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist während des „freistehenden” Betriebs das Netz 190 vom Stromversorgungssystem 100 abgetrennt. Dementsprechend befinden sich Schalter 421–425 alle in der unteren Stellung. Im „freistehenden” Betriebsmodus kann |V| als Nennamplitude |Vnom| am Entscheidungsknoten 407 wirken, da die anderen zwei Eingaben (vom Integrator 405 und Tiefpassfilter (LPF – Low Pass Filter) 406) zum Entscheidungsknoten 407 beide 0 betragen. Ähnlich kann fv als Nennfrequenz vom Entscheidungsknoten 413 wirken.
Wenn eine Anweisung zum Anschließen des Netzes 190 empfangen wird kann der Schalter 424 in die obere Stellung geschaltet werden und die Schalter 421–423 und 425 können auf der unteren Stellung bleiben. Dementsprechend kann der Wechselrichter 140 synchronisiert werden, ehe die Schalter 421–423 und 425 geschlossen werden können.
Eine Wirkleistung P kann durch einen P-Rechner 402 basierend auf den am kritischen Verbraucher 170 gemessenen Netzspannungen Vtab und Vtbc und Netzströmen Ita und Itc berechnet werden. Die berechnete Wirkleistung P kann mit einer Bezugswirkleistung P* an einen Vergleichsknoten 409 verglichen werden. Die Bezugswirkleistung P* kann unter Verwendung eines MPPT-Werkzeuges bestimmt werden. Ein beispielhaftes MPPT-Verfahren kann in Verbindung mit 5 beschrieben werden. Am Vergleichsknoten 409 kann eine Differenzleistung von P und P* berechnet werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist eine Differenzleistung die Differenz zwischen einer gemessenen Leistung und einer Bezugsleistung. Beispielsweise ist die am Vergleichsknoten 409 berechnete Differenzleistung die Differenz zwischen der berechneten Wirkleistung P und der Bezugswirkleistung P*. Die Differenzleistung kann eine Frequenzabfallschleife durchlaufen.
Als erster Schritt der Frequenzabfallfunktion kann die Differenzleistung in einen Proportionalregler 410 eingespeist werden, der zum Verstärken der Differenzleistung eingerichtet sein kann. Als zweiter Schritt kann die verstärkte Differenzleistung in das Tiefpassfilter (LPF) 412 eingespeist werden. Das LPF 412 kann zum Ausfiltern hoher Frequenzkomponenten in der Differenzleistung eingerichtet sein. Beispielsweise können Geräusche ausgefiltert werden. Die gefilterte Differenzleistung kann zum Bestimmen der Zielfrequenz fv der Wechselrichterausgangsspannung zum Entscheidungsknoten 413 gesendet werden. Da sowohl der Schalter 421 als auch der Schalter 422 in ihrer unteren Stellung verbleiben, kann der Entscheidungsknoten 407 weiterhin die Nennamplitude |Vnom| als Zielamplitude der Wechselrichterausgangsspannung |Vinv| ausgeben.
Nach Schließen des Ausgangsschaltschützes 180 können alle Schalter 421–425 in die obere Stellung geschaltet werden. Dementsprechend kann der Wechselrichter 140 in einem „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus arbeiten. Durch einen Q-Rechner 401 kann basierend auf den gemessenen Netzspannungen Vtab und Vtbc und Netzströmen Ita und Itc eine Blindleistung Q berechnet werden. Die berechnete Blindleistung kann mit der bestimmten Bezugsblindleistung Q* an einem Vergleichungsknoten 402 verglichen werden. Am Vergleichungsknoten 402 kann eine Differenzleistung von Q und Q* berechnet werden. Die Differenzleistung kann parallel eine Spannungsabfallschleife und eine Integrationsschleife durchlaufen. Während der Spannungsabfallschleife kann die Differenzleistung in einen Proportionalregler 404 eingespeist werden, wo die Differenz verstärkt werden kann. Die verstärkte Differenz kann dann durch LPF 406 gefiltert werden. Benutzung des Tiefpassfilters 406 kann dazu beitragen, den Übergang zwischen „freistehenden” und „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodi nahtlos zu machen.
In einigen Ausführungsformen kann zum Lindern von stationärem Fehler eine Integrationsschleife enthalten sein. In der Integrationsschleife kann die Differenzleistung zuerst durch einen Regler 403 geregelt werden. In einigen Ausführungsformen kann, wenn die Differenzleistung größer als 0 ist, der Regler 403 ungeachtet des Realwertes der Differenzleistung 0,1 ausgeben. Wenn die Differenzleistung unter 0 liegt, kann der Regler 403 –0,1 ausgeben. Wenn die Differenzleistung 0 beträgt, kann der Regler 403 0 ausgeben. Es wird in Betracht gezogen, dass der Regler 403 mit unterschiedlichen Sollwerten ausgelegt sein kann. Es wird in Betracht gezogen, dass der Regler 403 eine beliebige Art von in der Technik bekannten Regler sein kann. Die geregelte Differenzleistung kann in den Integrator 405 eingespeist werden. Der Integrator 405 kann ein Integral der geregelten Differenzleistung berechnen. Die gefilterte Differenzleistung vom Tiefpassfilter 406 und die integrierte Differenzleistung vom Integrator 405 können beide zum Entscheidungsknoten 407 gesendet werden. Der Entscheidungsknoten 407 kann zum Bestimmen der Zielamplitude |V| der Wechselrichterausgangsspannung eingerichtet sein.
Andererseits kann ähnlich der Blindleistung eine Wirkleistung P durch einen P-Rechner 408 berechnet werden und die Differenzleistung der berechneten Wirkleistung P und der Bezugswirkleistung P* kann an einem Vergleichsknoten 409 bestimmt werden. Im „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus kann die Differenz zwischen Wirkleistung P und Bezugswirkleistung P* eine Frequenzdifferenzregelschleife (einschließlich des Proportionalreglers 410 und LPF 412) durchlaufen. Zusätzlich zur Frequenzdifferenzregelschleife kann die Differenzleistung auch eine zusätzliche Integrationsschleife durchlaufen, da der Schalter 423 sich in der oberen Stellung befindet. Die Integrationsschleife kann wiederum zum Lindern eines stationären Fehlers vorgesehen sein. In der Integrationsschleife kann die Differenzleistung in den Integrator 411 eingespeist werden. Der Integrator 411 kann ein Integral der Differenzleistung berechnen.
Die gefilterte Differenzleistung vom LPF 412 und die integrierte Differenzleistung vom Integrator 411 können beide zum Entscheidungsknoten 413 gesendet werden, wo eine Zielfrequenz für die Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 bestimmt wird. Im „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus kann auch ein Störungsgenerator 414 zum Zuführen von Störungsfrequenzsignal zum Entscheidungsknoten 413 enthalten sein. Die Störungsfrequenz kann der Zielfrequenz zugefügt werden. In einer beliebigen Ausführungsform kann die Störungsfrequenz eine sinusförmige Störungsfrequenz sein. Das Störungsfrequenzsignal kann innerhalb der Bandbreite des Rückkopplungsregelschemas 400 liegen, sodass eine beträchtliche Schwingungsmenge in der Wirkleistung P erzeugt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform können, wenn mehr als ein Wechselrichter im Stromversorgungssystem 100 enthalten ist, mehrere Störungsgeneratoren für die Wechselrichter benutzt werden. In diesem Fall müssen die Phasen der Störungen möglicherweise synchronisiert werden, um zu verhindern, dass die verschiedenen Wechselrichtern zugeordneten Schwingungen einander auslöschen.
Wenn der Schalter 425 in die obere Stellung geschaltet ist, kann er eine Inselbildung verhindernde Regelschleife anschließen. Die Inselbildung verhindernde Regelschleife kann zum Erkennen eines Inselbildungszustandes auf Grundlage der Amplitude der Schwingung in der Wirkleistung P eingerichtet sein. In einigen Ausführungsformen kann die berechnete Wirkleistung P durch ein Bandpassfilter (BPF) 415 gefiltert werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Passband des BPF 415 vom Benutzer auf Grundlage der Störungsfrequenz und der Bandbreite des Rückkopplungsregelschemas 400 eingestellt werden. Beispielsweise kann das Passband so ausgelegt sein, dass die gefilterte Wirkleistung im Wesentlichen die durch die Störungsfrequenz erzeugte Schwingung einschließt. Die gefilterte Wirkleistung kann zu einem Amplitudendetektor 416 weitergeleitet werden, wo die Amplitude der Schwingung erkannt wird.
Die erkannte Amplitude kann zu einem Inselbildungs-Logikblock 417 gesendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Inselbildungs-Logikblock 417 einen Schwellwert („T”) an die Amplitude anlegen. Wenn beispielsweise die Amplitude über T liegt, kann der Inselbildungs-Logikblock 417 1 ausgeben und ansonsten kann der Inselbildungs-Logikblock 417 0 ausgeben. Die Ausgabe des Inselbildungs-Logikblocks 417 kann zu der Schnittstellenschaltung 210 gesendet werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Ausgabe „0” anzeigen, dass ein Inselbildungszustand auftritt, und kann dementsprechend die Schnittstellenschaltung 210 zum Öffnen des Schaltschützes 180 anstoßen. Sobald das Ausgangs-Schaltschütz 180 physikalisch offen ist, können die Schalter 421–425 in eine untere Stellung geschaltet werden. Das heißt das Rückkopplungsregelschema 400 kann in einen „freistehenden” Betriebsmodus zurückkehren.
In beiden Betriebsmodi (d. h. „freistehend” und „Netz-Kupplung”) können durch die Blindleistungsschleife bestimmtes |V| und durch die Wirkleistungsschleife bestimmtes fv in einen Impulsbreitenmodulator (PWM) 450 eingegeben werden. In einigen Ausführungsformen kann auch eine Ziel-Anfangsphase für die Wechselrichterspannung in den PWM 450 eingegeben werden. Beispielsweise kann eine Anfangsphase 0 in den PWM 450 eingegeben werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können PWM IGBT-Schaltimpulse basierend auf der gewünschten Wechselrichterspannungsamplitude |V|, Wechselrichterspannungsfrequenz fv und Anfangsspannungsphase ableiten. Die abgeleiteten Schaltimpulse können für das Gate jedes IGBT im Wechselrichter 140 über die Schnittstellenschaltung 210 bereitgestellt werden.
Zum Bestimmen der im Rückkopplungsregelschema 400 benutzten Bezugswirkleistung P* können verschiedene Algorithmen benutzt werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Hochstpunkt-Leistungsverfolgungs-(MPPT-)Schema benutzt werden (MPPT – Maximum Point Power Tracking). Mit dem MPPT-Schema kann die von Leistungsquellen 110 und 120 zugeführte Eingangsgleichstromleistung maximal ausgenutzt werden. 5 bietet ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes MPPT-Verfahren 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erläutert. Das MPPT-Verfahren 500 kann beginnen, wenn die Bezugswirkleistung P* eingeleitet ist (Schritt 501). Beispielsweise kann P* als 0 eingeleitet werden. Die Steuerung 200 kann periodisch eine Gleichspannungsmessung und eine Gleichstrommessung anfordern (Schritt 502). Beispielsweise kann die Gleichspannung V_DC vom Spannungsgeber 171 gemessen werden und der Gleichstrom kann vom Stromgeber 181 gemessen werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann jede periodisch gemessene Gleichspannung V_DC zeitweilig im RAM 202 oder der Datenbank 205 gespeichert werden.
Von der Steuerung 200 kann eine Gleichstromleistung basierend auf der gemessenen Gleichspannung und Gleichstrom berechnet werden (Schritt 503). Beispielsweise kann die Gleichstromleistung als das Produkt der Gleichspannung und des Gleichstroms berechnet werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann jede periodisch berechnete Gleichstromleistung zeitweilig im RAM 202 oder der Datenbank 205 gespeichert werden. In Schritt 504 kann der aktuelle Gleichstromleistungswert P_DC(k) mit dem zuletzt gespeicherten Wert P_DC(k – 1) verglichen werden. Wenn P_DC(k) > P_DC(k – 1) (Schritt 504: Ja), kann das MPPT-Verfahren zum Schritt 505 fortschreiten. Im Schritt 505 kann die Steuerung 200 eine derivierte dp berechnen. Beispielsweise kann dp als die Differenz zwischen P_DC(k) und P_DC(k – 1) bestimmt werden. Die Bezugswirkleistung P* kann dann mit dp aktualisiert werden (Schritt 506). Beispielsweise kann ein Istwert von P*, P*(k) durch Zufügen von dp zum jüngsten Wert P*(k – 1) bestimmt werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann jede periodisch aktualisierte P* zeitweilig gespeichert werden.
Wenn P_DC(k) ≤ P_DC(k – 1) (Schritt 504: Nein), kann die Steuerung 200 die aktuelle Messung von Gleichspannung mit der jüngsten Messung vergleichen (Schritt 507). Wenn V_DC(k) V_DC(k – 1) (Schritt 507: Ja), kann die Steuerung 200 Derivierte dp sowie Derivierte dv auf 0 setzen (Schritt 508). Das MPPT-Verfahren 500 kann dann zum Messen der nächsten Gleichspannung und des nächsten Gleichstroms zum Schritt 502 zurückkehren. Ansonsten kann, wenn V_DC(k) ≤ V_DC(k – 1) (Schritt 507: Nein), die Steuerung 200 die derivierte dv berechnen. Beispielsweise kann dv als die Differenz zwischen V_DC(k) und V_DC(k – 1) bestimmt werden. In Schritt 509 kann dann die Bezugswirkleistung P* mit dv anstelle von dp aktualisiert werden. Beispielsweise kann der Istwert P*(k) durch Abziehen von dv vom letzten Wert P*(k – 1) bestimmt werden. Nach dem Schritt 509 können historische Werte der Bezugswirkleistung P*(k – 1), P_DC(k – 1) und V_DC(k – 1) aktualisiert werden (Schritt 510). Beispielsweise werden die Istwerte P*(k), P_DC(k) und V_DC(k) zum Ersetzen der alten Werte benutzt. Nach dem Schritt 510 kann das MPPT-Verfahren 500 zum Messen der nächsten Gleichspannung und des nächsten Gleichstroms zum Schritt 502 zurückkehren. Schritte 502–510 können solange wiederholt werden, bis der Spitzenwert der Gleichstromleistung gefunden wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Obwohl die offenbarten Ausführungsformen in Verbindung mit einem Übergang zwischen einem „freistehenden” Betriebsmodus und einem „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus beschrieben werden, sind sie auf beliebige Anwendungen anwendbar wo zuverlässige Wechselrichtersteuerung benötigt oder von Nutzen sein könnte. Beispielsweise können die offenbarten Ausführungsformen angewandt werden, um nahtlose Übergänge herzustellen, wenn im Stromversorgungssystem 100 Wechsel eintreten wie beispielsweise vermehrte/verringerte Verbraucher am Netz 190, Zufügung/Entfernung von Stromquellen am Netz 190, Zufügung/Entfernung von Stromquellen 110 und 120 usw.
Insbesondere kann das offenbarte Steuerungssystem für den Wechselrichter 140 eine Vielzahl von Spannungsgebern 172–175 zum Messen von Ausgangs-Netzspannungen und eine Vielzahl von Stromgebern 182–185 zum Messen von Ausgangs-Netzströmen des Stromversorgungssystems 100 enthalten. Das Steuerungssystem kann weiterhin eine an den Wechselrichter 140 angekoppelte Steuerung 200 enthalten. Die Steuerung 200 kann zum Bereitstellen eines einer Störungsfrequenz zugeordneten Steuerungssignals für den Wechselrichter 140 eingerichtet sein. Die Steuerung 200 kann weiterhin zum Bestimmen einer Ausgangsleistung des Wechselrichters 140 basierend auf den Ausgangs-Netzspannungen und Ausgangs-Netzströmen und Bestimmen einer durch die Störungsfrequenz verursachten Schwingungsamplitude in der Ausgangsleistung eingerichtet sein. Die Steuerung 200 kann auch zum Erkennen eines Inselbildungszustands eingerichtet sein, wenn die Schwingungsamplitude unter einem Schwellwert liegt. Das offenbarte Steuerungssystem kann weiterhin eine an die Steuerung 200 angekoppelte und zum Abtrennen des Netzes 190 vom Wechselrichter 140 bei Erkennen des Inselbildungszustands eingerichtete Schnittstellenschaltung 210 enthalten.
Gemäß der offenbarten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das offenbarte Wechselrichtersteuerungssystem die Zuverlässigkeit und Robustheit des Stromversorgungssystems 100 verbessern. Beispielsweise kann bei Verwendung des in 3 gezeigten Wechselrichtersteuerungsverfahrens 300 und des in 4 dargestellten Rückkopplungsregelungsschemas 400 das offenbarte Steuerungssystem wirkungsvoll einen Inselbildungszustand erkennen, wenn das Netz 190 plötzlich abgetrennt wird. Sobald ein Inselbildungszustand erkannt wird kann das Steuerungssystem aus einem „Netz-Kupplungs-”Steuerungsmodus in einen „freistehenden” Steuerungsmodus übergehen. Zusätzlich kann das offenbarte Steuerungssystem eine geeignete Zielamplitude und Zielfrequenz für die Ausgangsspannung des Wechselrichters 140 bestimmen. Als Ergebnis können die Transistoren des Wechselrichters 140 so geschaltet werden, dass die Ausgangsspannung den Verbraucherbedürfnissen entspricht. Daher ist möglicherweise kein Spannungseinbruch während des Übergangs aus dem „Netz-Kupplungs-”Betriebsmodus in den „freistehenden” Betriebsmodus vorhanden. Als Ergebnis können Probleme wie örtliche Verbraucherabschaltungen vermieden werden und die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems 100 verbessert werden.
Für den Fachmann wird offensichtlich sein, dass an dem offenbarten Wechselrichtersteuerungssystem verschiedene Abänderungen und Veränderungen durchgeführt werden können, ohne aus dem Rahmen der Offenbarung zu weichen. Dem Fachmann werden andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung aus einer Betrachtung der Beschreibung und Ausübung der vorliegenden Offenbarung ersichtlich sein. Die Beschreibung und Beispiele sollen nur als beispielhaft angesehen werden, wobei der wahre Rahmen der vorliegenden Offenbarung durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Entsprechungen angezeigt ist.
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 6304468 [0006, 0007, 0008]

Claims

Steuerungssystem für einen Wechselrichter (140), wobei der Wechselrichter an ein zum Anschließen und Abtrennen eines Netzes (190) eingerichtetes Schaltschütz (180) angekoppelt ist, wobei das Steuerungssystem Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Ausgangsspannungsgebern (172–175) und eine Vielzahl von Ausgangsstromgebern (182–185), wobei die Ausgangsspannungsgeber zum Messen von mindestens zwei Netzspannungen am Schaltschütz eingerichtet sind und die Ausgangsstromgeber zum Messen von mindestens zwei Netzströmen am Schaltschütz eingerichtet sind, sobald das Netz angeschlossen ist; eine mit den Ausgangsspannungsgebern und Ausgangsstromgebern verbundene Steuerung (200), wobei die Steuerung eingerichtet ist zum: Bestimmen einer Zielamplitude und einer Zielfrequenz für eine Ausgangsspannung des Wechselrichters; und Bestimmen einer Vielzahl von Leistungstransistorschaltimpulsen basierend auf der Zielamplitude und der Zielfrequenz; und eine mit der Steuerung und dem Wechselrichter verbundene Schnittstellenschaltung (210), wobei die Schnittstellenschaltung zum Bereitstellen der Leistungstransistorschaltimpulse für den Wechselrichter eingerichtet ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung weiterhin zum Synchronisieren des Wechselrichters mit dem Netz, nachdem eine Anweisung zum Anschießen des Netzes empfangen ist und bevor das Netz angeschlossen ist, eingerichtet ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter weiterhin mit mindestens einer Stromquelle (110 oder 120) verbunden ist, wobei die Stromquelle dem Wechselrichter Gleichstromleistung zuführt.
Steuerungssystem nach Anspruch 3, wobei das Steuerungssystem weiterhin Folgendes enthält: einen zum Messen einer durch die Stromquelle zugeführten Gleichspannung eingerichteten Eingangsspannungsgeber (171) und einen zum Messen eines durch die Stromquelle zugeführten Gleichstroms eingerichteten Stromgeber (181), wobei die Steuerung weiterhin zum Bestimmen einer Bezugswirkleistung basierend auf der Gleichspannung und dem Gleichstrom eingerichtet ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die zum Bestimmen der Zielfrequenz eingerichtete Steuerung weiterhin enthält, dass die Steuerung eingerichtet ist zum: Berechnen einer Wirkleistung basierend auf den Netzspannungen und den Netzströmen; und Anpassen der Wirkleistung an die Bezugswirkleistung unter Verwendung einer Rückkopplungsregelschleife.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die zum Bestimmen der Zielamplitude eingerichtete Steuerung enthält, dass die Steuerung eingerichtet ist zum: Bestimmen einer Bezugsblindleistung unter Verwendung von Leistungsfaktorkorrektur; Berechnen einer Blindleistung basierend auf Netzspannungen und den Netzströmen; und Anpassen der Blindleistung an die Bezugsblindleistung unter Verwendung einer Rückkopplungsregelschleife.
Steuerungsverfahren für einen Wechselrichter (140), wobei der Wechselrichter an ein zum Anschließen und Abtrennen eines Netzes (190) eingerichtetes Schaltschütz (180) angekoppelt ist, wobei das Steuerungsverfahren Folgendes umfasst: Messen von mindestens zwei Netzspannungen und mindestens zwei Netzströmen am Schaltschütz, sobald das Netz angeschlossen ist; Bestimmen einer Zielamplitude und einer Zielfrequenz für eine Ausgangsspannung des Wechselrichters; Bestimmen einer Vielzahl von Leistungstransistorschaltimpulsen basierend auf der Zielamplitude und der Zielfrequenz; und Bereitstellen der Leistungstransistorschaltimpulse für den Wechselrichter.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 7, wobei das Steuerungsverfahren weiterhin Folgendes enthält: Messen einer durch eine Stromquelle dem Wechselrichter zugeführten Gleichspannung und eines Gleichstroms; und Bestimmen einer Bezugswirkleistung basierend auf der Gleichspannung und dem Gleichstrom.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen der Zielfrequenz Folgendes enthält: Berechnen einer Wirkleistung basierend auf den Netzspannungen und den Netzströmen; und Anpassen der Wirkleistung an die Bezugswirkleistung unter Verwendung einer Rückkopplungsregelschleife, wobei die Rückkopplungsregelschleife eine Integrationsschleife und eine Frequenzdifferenzregelschleife enthält, wobei die Frequenzdifferenzregelschleife ein Tiefpassfilter (412) enthält.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 7, wobei das Bestimmen der Zielamplitude Folgendes enthält: Berechnen einer Blindleistung basierend auf den Spannungen und den Netzströmen; und Anpassen der Blindleistung an die Bezugsblindleistung unter Verwendung einer Rückkopplungsregelschleife, wobei die Rückkopplungsregelschleife eine Integrationsschleife und eine Frequenzdifferenzregelschleife enthält, wobei die Frequenzdifferenzregelschleife ein Tiefpassfilter (406) enthält.