DE19604207C2 - Verfahren zur Synchronisation von Spannungen und Schaltungsanordnung für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Synchronisation der Ausgangsspan­ nung eines Wechselrichters an eine Referenzwechselspannung, wobei der von einer Steuerung angesteuerte Wechselrichter bei störungsfreiem Stromnetz aus einem an das Stromnetz angeschlossenen Gleichrichter versorgt wird und bei Netzausfall unter­ brechungsfrei aus einer Batterie, und auf eine Schaltungsanordnung für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 zur Ausführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art und eine Schaltungsanordnung sind aus dem Aufsatz:
Clewing, Michael; Engel, Sigurt: Wechselrichter freigepulst; AEG-Firmenprospekt "Neue Statische USV-Systeme mit Leistungstransistoren", A512.14.701/0391 bekannt. Bei diesem AEG-Firmenprospekt handelt es sich um einen Sonderdruck aus der Zeitschrift "elektrische energie-technik", 31. Jahrgang 1986, Nr. 2. In dem Aufsatz ist ausdrücklich erwähnt, daß Wechselrichterspannung und Netzspannung phasensyn­ chron sind. Dies ist eine Voraussetzung dafür, daß der an den Wechselrichter ange­ schlossene Verbraucher - im Falle bestimmter Arten von Störungen - durch eine elek­ tronische Umschalteinrichtung unterbrechungsfrei (mittels einer Überbrückung von Gleichrichter und Wechselrichter) unmittelbar auf das Netz geschaltet werden kann. Bei Umschaltung wird der Wechselrichter in einem bestimmten Frequenzbereich netzgetak­ tet, d. h. Netz- und Wechselrichterspannung sind frequenz- und phasengleich.

Bekannt sind auch ein Verfahren und eine Anordnung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen, bei denen ebenfalls vor dem Umschalten der Stromrichter mit dem Netz synchronisiert wird. Die Synchronisierung geschieht auf analoge Art (DE 32 46 930 A1).

Der Erfindung liegt zum einen die Aufgabe zugrunde, für ein System zur unterbre­ chungsfreien Stromversorgung (USV) ein Verfahren zur Synchronisation der Aus­ gangsspannung eines Wechselrichters an die Wechselspannung des Stromnetzes zu schaffen, wobei mit möglichst geringem zusätzlichen Hardwareaufwand eine sichere und zuverlässige Synchronisation erreicht wird. Dabei sollen vor allem solche Daten berücksichtigt und ausgewertet werden, die üblicherweise bei einem derartigen USV-System verarbeitet werden.

Zum andern besteht die Aufgabe darin, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 und durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sehr gut für ein System mit mehreren Mikrocontrollern. Der zusätzliche Hardwareaufwand für die Synchronisation läßt sich insbesondere durch Nutzung der On-chip-Peripherie der Mikrocontroller besonders ge­ ring halten. Unterschiedliche Anforderungen, die beispielsweise die Phasenlage, Tole­ ranzgrenzen und die Synchronisiergeschwindigkeit betreffen, lassen sich flexibel über Anpassungen im Steuerungsalgorithmus parametrieren.

Mit einer Parallelschaltung von mehreren Wechselrichtern ergibt sich ein hohes Maß an Redundanz und Zuverlässigkeit, wie es besonders in Systemen zur unterbrechungs­ freien Stromversorgung (USV) gewünscht wird. Alle parallel betriebenen Wechselrichter - es können mehr als zwei sein - müssen bezüglich ihrer Ausgangsspannungen sy­ chronisiert werden. Eine derartige Synchronisation auf einen als Master-Einheit konfi­ gurierten Wechselrichter definiert das Verfahren nach Anspruch 2.

Der im Anspruch 3 erwähnte Steueralgorithmus kann beispielsweise in einer Steuerung einer elektronischen Umschalteinrichtung ablaufen.

Die elektronische Umschalteinrichtung ist unmittelbar an das Stromnetz geschaltet, die zugehörige Steuerung tastet die Netzspannung (beispielsweise die Wechselspannung einer Phase eines Drehstromnetzes) ab und erhält somit Informationen über die Pha­ senlage.

Im Rahmen einer Einsynchronisation muß stets der Steuerungsalgorithmus mit der Netzspannung synchronisiert werden.

Diese Synchronisation wird über eine Anpassung der Zeit zwischen zwei benachbarten Abtastungen vorgenommen. Diese Zeit hängt - bei fester Anzahl der Abtastungen pro Periode - von der Periodendauer ab, die der Steuerungsalgorithmus intern zugrunde­ legt und in der im Anspruch 3 angegebenen Art an die Periodendauer der Netzspan­ nung anpaßt.

Auch bei kleinen Schwankungen der Netzfrequenz findet eine Anpassung des Steue­ rungsalgorithmus an die Netzfrequenz statt.

Wenn der in Programmzyklen unterteilte Steueralgorithmus mit der Netzspannung syn­ chronisiert ist, läßt sich zusammen mit den Rechteckimpulsen, die synchron zu der Ausgangsspannung des Wechselrichters sind, die Abweichung der Wechselspannung vom Zustand eines synchronen Verlaufs (Phasenabweichung) ermitteln.

Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 hat den Vorteil, daß selbst bei Ausfall ei­ nes einzelnen Wechselrichters das Gesamtsystem weiter betrieben werden kann. Das Gesamtsystem läßt sich durch entsprechende Programmierung so einrichten, daß ein defekter Wechselrichter automatisch erkannt und dann selbsttätig von dem Parallelver­ bund getrennt wird. Wenn die Master-Einheit ausgefallen ist, kann ein anderes Teilsy­ stem die Masterfunktionen übernehmen, ohne daß dazu zusätzlicher Hardwareaufwand erforderlich wäre (Multimasterfähigkeit des Gesamtsystems).

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand vierer Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 den Verlauf der miteinander zu synchronisierenden Spannun­ gen, die Rechteckimpulse auf dem Synchronisationsbus und die Arbeitsweise des Zählers und

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung einer Synchronisation der Aus­ gangsspannung eines Wechselrichters mit einer Referenzwechselspannung.

In Fig. 1 ist unter 1.1 über einer Zeitachse der Verlauf der (Wechsel-)Spannung am Ausgang eines Wechselrichters (Ausgangsspannung u_WR) zu sehen. Der Wechsel­ richter ist Bestandteil eines Systems zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV). Dieses System hat eine mit einer eigenen Steuerung ausgerüstete elektronische Um­ schalteinrichtung (EUE), die beispielsweise im Falle von Störungen im Wechselrichter die an den Wechselrichter angeschlossenen Verbraucher unmittelbar mit dem Strom­ netz verbindet.

Unter 1.2 ist ein zu dieser Spannung synchrones Signal aus Rechteckimpulsen darge­ stellt, und zwar ist zu den Zeiten einer positiven Halbwelle ein positiver Spannungsim­ puls vorhanden und zu den Zeiten einer negativen Halbwelle ein negativer Span­ nungsimpuls; mit anderen Worten ändert sich der Spannungswert an allen Nulldurch­ gängen der Wechselspannung schlagartig.

Das Signal wird über einen Synchronisationsbus der Steuerung der elektronischen Um­ schalteinrichtung zugeführt, wodurch diese Steuerung exakte Kenntnis über Phasenla­ ge und Frequenz der Ausgangsspannung u_WR des Wechselrichters erhält.

Unter 1.3 ist vereinfacht der Anstieg des Zahlenwertes in einem selbsttätig laufenden Zähler (Timer) dargestellt. Der Zähler verursacht - proportional zur verstreichenden Zeit - ein Inkrementieren des Zahlenwertes. Statt der (vielen kleinen) Stufen ist jeweils eine Rampe dargestellt. Periodisch zum Zeitpunkt einer fallenden Flanke an den Rechteckimpulsen nach 1.2 wird der Wert des Zählers (als Endwert t_WR) ausgelesen und gespeichert. Anschließend wird der Zähler sofort wieder auf Null gesetzt, was in 1.3 durch den Start einer neuen Rampe dargestellt ist. Die Größe des Endwertes t_WR ist somit ein Maß für die Periodendauer - genauer für die Dauer der beiden letzten Halb­ wellen - der Ausgangsspannung u_WR des Wechselrichters.

In der Steuerung der elektronischen Umschalteinrichtung wird die Spannung einer zu­ vor gewählten Phase des Stromnetzes abgetastet. Der Verlauf der Spannung u_N des Stromnetzes ist unter 1.4 dargestellt; die dargestellte Spannung u_N ist zu der Aus­ gangsspannung u_WR des Wechselrichters (noch) nicht synchron.

Damit eine Synchronisation überhaupt stattfinden kann, muß zunächst der in der Steue­ rung der elektronischen Umschalteinrichtung als Programm laufende Steuerungsalgo­ rithmus mit dem Stromnetz synchronisiert werden.

Der Steuerungsalgorithmus weist eine feste Abfolge von Programmzyklen auf, die ein­ zeln jeweils zwischen zwei Abtastungen der Wechselspannung des Stromnetzes abge­ arbeitet werden.

Für die Synchronisation wird ein Phase-locked Loop (PLL) mittels eines Programms realisiert. Die Synchronisation der Ein- und Ausgangsspannung des PLL wird über die Abtastzeit T_A(m) der Steuerung der elektronischen Umschalteinrichtung vorgenommen. Dabei ergibt sich T_A(m) aus der Netzperiode T_PNetz(m) und der Anzahl n_A der Abta­ stungen (Samples) pro Netzperiode zu:

Die Netzperiode T_PNetz(m) wird durch den Steuerungsalgorithmus aus folgender, ei­ nen PI-Regler realisierenden Formel bestimmt:

T_PNetz(m) = T_PNetz(m-1)+k_*[e(m)-β_*e(m-1)]

wobei mit
m eine fortlaufende Nummer der Netzperiode, mit
k, β Reglerparameter und mit
e(m) ein Koeffizient = -b1(m) bezeichnet wird, der nach folgender Formel bestimmt wird:

worin mit
U1(i) die Grundschwingung der Netzspannung und mit
Φ_inc die Phasenverschiebung bezeichnet ist, die wie folgt bestimmt wird:

Φ_inc = (2_*π)/n_A.

Dabei ist b1(m) der Fourierekoeffizient der Sinusschwingung des Grundschwingungsan­ teils (in der Wechselspannung u_N des Stromnetzes). Liegt das Abtastraster mit der Wechselspannung des Stromnetzes in Phase, so wird b1(m) zu null. Der Wert b1(m) ist also von der Phasenabweichung abhängig. Der Phasenfehler wird von dem zuvor durch die Formel dargestellten Regler aufgenommen. Eine Filterung durch einen Tief­ paß ist nicht erforderlich, da der Wert keine Oberschwingungen enthält. b1(m) wird aus einer diskreten Fourieranalyse ermittelt, wie zuvor im einzelnen durch die Formel für b1(m) angegeben ist.

Unter 1.4 ist ein Zeitpunkt t1 dargestellt, an dem aufgrund einer fallenden Flanke eines Rechteckimpulses der Zähler zurückgesetzt wird. Dieser Zeitpunkt markiert den Beginn einer Periode der Ausgangsspannung u_WR des Wechselrichters.

Es ist ferner ein Zeitpunkt t2 zu sehen, der zeitlich nach dem Zeitpunkt t1 liegt. Er mar­ kiert den nächsten positiven Nulldurchgang (der Wechselspannung u_N des Stromnet­ zes) nach dem Zeitpunkt t1. Bei synchronem Verlauf der Ausgangsspannung u_WR und der Wechselspannung u_N wäre die Zeit zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 gleich der halben Periodendauer.

Zu dem Zeitpunkt t2 wird der Inhalt des Zählers ausgelesen (dargestellt durch den nach oben gerichteten Pfeil in Richtung der Rampe des Zählers).

Der Phasenunterschied ΔΦ zwischen der Ausgangsspannung u_WR des Wechselrich­ ters zu der Wechselspannung u_N des Stromnetzes läßt sich - unter Berücksichtigung des letzten Endwertes t_WR des Zählers, also des Wertes, den er unmittelbar vor dem Zeitpunkt t1 (am Ende der letzten Rampe) hatte - berechnen:

ΔΦ_WR-Netz = (t_WR/2-t2_WR·ω

wobei mit
t2_WR der Wert des Zählers zum Zeitpunkt t2 (dieser Wert entspricht - wegen des selbsttätigen Hochlaufs des Zählers - einer Zeitdauer) und mit
ω die Kreisfrequenz bezeichnet sind.

Fig. 2 zeigt unter 2.1 bis 2.4 die gleichen Spannungen wie die Fig. 1, es sind allerdings unter 2.2 die Rechteckimpulse gegenüber der Darstellung nach 1.2 um die Zeit T_K1 nach links verschoben. Die nach oben gerichteten Pfeile in 2.4, die die Zeitpunkte mar­ kieren, an denen der aktuelle Wert des Zählers ausgelesen wird, sind um Zeit T_K2 ge­ gegenüber 1.4 nach rechts verschoben. Der aktuelle Wert des Zählers wird also stets kurz nach dem positiven Nulldurchgang der Wechselspannung u_N ausgelesen.

Es soll mit Fig. 2 gezeigt werden, wie sich sehr leicht die durch Hardwarefilter und Pro­ grammlaufzeiten auftretenden konstanten Verschiebungen für den Zeitpunkt t1 und für den Zeitpunkt zum Auslesen des aktuellen Wertes des Zählers um die Zeiten T_K1 und T_K2 von ihren idealen Positionen (gemäß Fig. 1) in den Regelungsalgorithmus einbe­ ziehen lassen; dadurch wird die Genauigkeit erhöht.

Der Phasenunterschied Df_WR-Netz berechnet sich dann zu:

ΔΦ_WR-Netz = (t_WR/2-t2_WR-T_K1-T_K2)·ω

Fig. 3 zeigt unter 3.1 bis 3.4 wie die Fig. 1 und die Fig. 2 auf vier Zeitachsen den Verlauf der im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Spannungen. Gegenüber der Darstellung in Fig. 2 sind die nach oben gerichteten Pfeile, die die Zeitpunkte für das Auslesen des aktuellen Zählerwertes kenntlich machen, gegenüber der Darstellung nach 2.3 um eine (Zeit-)Konstante DT_soll nach rechts verschoben.

Mit der Fig. 3 wird eine zusätzliche Konstante eingeführt.

Für den Einsatz des Phasenvergleichs in einem System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung ist ein Voreilen der Ausgangsspannung u_WR des Wechselrichters gegenüber dem Netz sinnvoll. Diese Voreilung soll konstant und einstellbar sein. Es wird zu ihrer Darstellung eine Konstante DT_soll herangezogen.

Bezieht man die vorgesehene Abweichung der Phasenlage von Null in die Berechnung der Phasenabweichung mit ein, so folgt nunmehr:

ΔΦ_WR-Netz = (t_WR/2-t2_WR-T_K1-T_K2-Dt_soll)·ω

Damit läuft eine Überwachung der Phasenlage auf eine Kontrolle der Bedingung

negative Toleranzgrenze <ΔΦ_WR-Netz< positive Toleranzgrenze

in dem Regelalgorithmus hinaus.

Dies ist besonders einfach mittels eines Programms zu realisieren, ohne daß dazu eine umständliche Einbeziehung der Sollvoreilung erforderlich wäre.

Die Lage des Zeitpunktes t1 auf der Zeitachse wird durch den Zeitpunkt bestimmt, an dem die Ausgangsspannung u_WR des Wechselrichters einen negativen Nulldurchgang hat. Der Zeitpunkt t1 liegt also stets in einem Bereich, in dem die Ausgangsspannung u_WR des Wechselrichters einen fallenden Verlauf hat. Dies hat den Vorteil, daß bei Sollabweichung der Phasenlage um null kein Vorzeichenwechsel der berechneten Phasenabweichung ΔΦ_WR-Netz im einsynchronisierten Zustand eintritt.

Der von der Steuerung der elektronischen Umschalteinrichtung aus dem Zähler ermittelte Wert der Phasenabweichung ΔΦ_WR-Netz wird über ein (vom Synchronisationsbus verschiedenes!) Bussystem der Steuerung des Wechselrichters zugeführt. In dieser Steuerung wird ein PI-Regler mit folgender Formel realisiert:

T_P(m) = T_P(m-1) + k1 _* [ΔΦ_WR-Netz(m) - β1 _* ΔΦ_WR-Netz(m-1)]

Der PI-Regler liefert also die Periodendauer T_P der Ausgangsspannung u_WR des Wechselrichters. Aus dieser Periodendauer T_P ergibt sich die Abtastzeit T_A (Sample-Zeit) der Wechselrichtersteuerung gemäß folgender Beziehung:

Durch eine ständige Anpassung dieser Abtastzeit (auf den von dem Regler bestimmten Wert) wird die Synchronisation mit der Netzspannung realisiert.

Bei einer Parallelschaltung mehrerer Wechselrichter müssen diese sehr schnell und genau bezüglich ihrer Ausgangsspannungen synchronisiert werden. Dies läßt sich da­ durch erreichen, daß einer der Wechselrichter als Master-Einheit konfiguriert und auf die Netzspannung synchronisiert ist. Er stellt seine aktuelle Abtastzeit T_A den parallel geschalteten Wechselrichtern über ein Bussystem ständig zur Verfügung. Die übrigen (als Slave-Einheiten konfigurierten) Wechselrichter übernehmen die Abtastzeit T_A. Das von der Master-Einheit auf den Synchronisationsbus ausgegebene Signal (Rechteckimpulse) wird von allen Slave-Einheiten empfangen.

Eine fallende Flanke in diesem Signal löst in den Slave-Einheiten jeweils einen Interrupt aus, der ein Umschalten auf einen für das System festgelegten Samplezeitpunkt (d. h. auf einen speziellen Programmzyklus in einer vorgegebenen Abfolge von Programmzy­ klen) bei der nächsten vom Programmablauf günstigen Gelegenheit veranlaßt. Dabei kann es im ungünstigsten Fall noch zu Phasenabweichungen zwischen den Ausgangs­ spannungen der Wechselrichter von ±2T_A kommen. Um diese Abweichungen zu null auszuregeln, wird in jeder Wechselrichter-Steuerung intern die Zeit zwischen dem Pe­ gelwechsel auf dem Synchronisationsbus und dem Zeitpunkt, an dem der spezielle Programmzyklus startet, gemessen.

Diese Zeit wird als Regelabweichung einem relativ langsamen Regler zugeführt, der nur eine sehr kleine Änderung der von der Master-Einheit übermittelten Abtastzeit T_A - im Falle einer von null verschiedenen Regelabweichung - bewirken soll. Auf diese Weise wird der geringe Phasenunterschied zwischen den parallel geschalteten Wechselrich­ tern ohne Dynamikprobleme ausgeglichen.

Eine Grobsynchronisation der parallel geschalteten Wechselrichter ist - beschrie­ ben - zuvor praktisch schlagartig vorgenommen worden.

Die Synchronisation des Wechselrichters bzw. der Wechselrichter auf das Stromnetz soll nicht in jedem Fall erfolgen. Vielmehr ist es erforderlich, daß nur dann synchroni­ siert wird, wenn die Eingangsspannung bei dem PLL-Programm sich in vorgegebenen Grenzen bewegt und das PLL-Programm selbst synchron zum Stromnetz arbeitet. Da­ durch setzt der Vorgang des Synchronisierens nur dann ein, wenn das PLL-Programm keine hohe Dynamik durch Ein- bzw. Aussynchronisieren erzeugt.

Sind diese Bedingungen nicht mehr erfüllt, so folgt der Wechselrichter dem Stromnetz nicht mehr in Frequenz und Phasenlage, sondern hält den Verlauf seiner Ausgangs­ spannung unverändert bei.

Das Synchronisieren beginnt stets nach Ablauf einer Verzögerung, wodurch unnötige Frequenzänderungen des Wechselrichters bei kurzen Netzfehlern vermieden werden.

Durch die hohe zulässige Änderung der Abtastzeit T_A der Steuerung der elektroni­ schen Umschalteinrichtung zur Synchronisation des Steuerungsalgorithmus (PLL-Programm) auf das Netz und die geringe zulässige Änderung der Abtastzeit T_A des Wechselrichters zur Synchronisation des Wechselrichters bzw. der Wechselrichter auf den Steuerungsalgorithmus der elektronischen Umschalteinrichtung wird bei Fre­ quenzänderungen im Netz zunächst sehr schnell der Regelungsalgorithmus der elek­ tronischen Umschalteinrichtung mit dem Netz synchronisiert, die Synchronisation der Ausgangsspannungen der Wechselrichter dauert etwas länger.

Somit ist durch die Steuerung der elektronischen Umschalteinrichtung stets eine korrek­ te Feststellung möglich, ob eine Phasenverschiebung vorliegt oder nicht.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit Hilfe derer eine Synchronisation der Aus­ gangsspannung eines ersten Wechselrichters mit der Wechselspannung einer wählba­ ren Phase u, v, w des Stromnetzes erreicht wird. Dabei findet gleichzeitig eine Syn­ chronisation der Ausgangsspannung eines zweiten Wechselrichters mit der Ausgangs­ spannung des ersten Wechselrichters statt.

Links sind die drei Phasen u, v, w des speisenden Stromnetzes angedeutet. Für die Synchronisation wird lediglich die Wechselspannung an einer einzigen (zuvor festgeleg­ ten) Phase u, v oder w genutzt. An das Stromnetz ist eine elektronische Umschaltein­ richtung 1 eines Systems zur unterbrechungsfreien Stromversorgung angeschlossen, die mit einer digital arbeitenden Steuerung ausgerüstet ist.

Das System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung weist zwei parallel verschaltete Wechselrichter auf, die in an sich bekannter Weise mit dem Ausgang eines an das Stromnetz angeschlossenen Gleichrichters und an eine aufladbare Batterie ange­ schlossen sind. Die Wechselrichter versorgen angeschlossene Verbraucher, deren unterbrechungsfreie Stromversorgung auch im Falle eines (kurzzeitigen) Netzausfalls sichergestellt sein soll.

Beide Wechselrichter 2, 3 weisen jeweils eine Steuerung auf. Einer der beiden Wechselrichter ist als Master-Einheit konfiguriert. An die Steuerung des Wechselrichters 2 ist ein Syn­ chronisationsbus 4 angeschlossen, über den das weiter oben erwähnte Signal aus Rechteckimpulsen geleitet wird. Der Synchronisationsbus 4 ist mit der Steuerung 1 der elektronischen Umschalteinrichtung und mit der Steuerung des zweiten (als Sla­ ve-Einheit konfigurierten) Wechselrichters verbunden.

Zwischen der Steuerung der elektronischen Umschalteinrichtung und der Steuerung der Master-Einheit ist ein Bussystem 5 vorhanden, über das periodisch ein Wert als Maß für die Phasenabweichung der Ausgangsspannung des Wechselrichters zur Netz­ spannung an die Steuerung des Wechselrichters 2 der Master-Einheit übermittelt wird.

Die Steuerung des Wechselrichters 2 der Master-Einheit gibt über ein weiteres Bussystem 6 die Information über die eigene Abtastzeit T_A an die Steuerung des Wechselrichters 3 der Slave-Einheit weiter.

Weitere (als Slave-Einheiten konfigurierte) Wechselrichter können zu den vorhandenen Wechselrichtern parallel geschaltet werden. Deren Steuerung müßten - zur Erzielung einer Synchronisation aller Ausgangsspannungen der Wechselrichter - sowohl mit dem Bussystem 6 als auch mit dem Synchronisationsbus 4 verbunden sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Synchronisation der Ausgangsspannung eines Wechselrichters an eine Referenzwechselspannung, wobei der von einer Steuerung angesteuerte Wechselrichter bei störungsfreiem Stromnetz aus einem an das Stromnetz ange­ schlossenen Gleichrichter versorgt wird und bei Netzausfall unterbrechungsfrei aus einer Batterie,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Referenzwechselspannung die Wechselspannung (U_N) des Stromnetzes ist,
• - daß die Steuerung des Wechselrichters ein zu seiner Ausgangs­ spannung (U_WR) synchrones Signal aus Rechteckimpul­ sen (1.2, 2.2, 3.2) erzeugt,
• - daß die Dauer der Halbwellen der Ausgangsspannung (U_WR) des Wechselrichters die Breite der Rechteckimpulse (1.2, 2.2, 3.2) bestimmt,
• - daß zyklisch zunächst, veranlaßt durch eine vorgebbare, periodisch auftretende Flanke eines Rechteckimpulses (1.2, 2.2, 3.2) des mit der Ausgangs­ spannung (U_WR) des Wechselrichters synchronen Signals, mit einer festen zeitlichen Verzögerung der aktuelle Wert eines selbsttätig laufenden Zählers am Ende der Periode einer darauf durch die Rechteckimpulse gebildeten Schwingung als ein Endwert (t_WR) erfaßt und gespeichert wird,
• - daß anschließend unverzögert der Zähler, mit Null beginnend, neu startet,
• - daß danach bei Erreichen einer vorgebbaren Stelle (t₂) in dem Ver­ lauf der Referenzwechselspannung (U_N) der aktuelle Wert des Zäh­ lers (t2_WR) ausgelesen wird,
• - daß dann die Abweichung (e(m)) des ausgelesenen aktuellen Zähler­ wertes (t2_WR) von dem Anteil (½) des zuvor gespeicherten Zählerwertes (t_WR) bestimmt wird, der auf die Zeitspanne vom Beginn (t1) der aktuellen Periode der Referenzwechselspannung (U_N) bis zum Errei­ chen der vorgegebenen Stelle (t2) in dem Verlauf der Referenzwechselspannung (U_N) entfällt, und
• - daß die Periodendauer (T_P) der Ausgangsspannung des Wechsel­ richters gemäß folgender Formel an die Periodendauer (T_PNetz) der Referenzwechselspannung (U_N) angepaßt wird: T_P(m) = T_P(m-1)+k1 _* [e(m)-β1 _* e(m-1)]mit:
  T_P Periodendauer der Wechselrichterausgangsspannung
  k1, β1 Reglerparameter, und
  e(m) Koeffizient als Maß für die Abweichung
  m fortlaufender Index für die Netzperiode (m=1, 2, 3 . . .).

2. Verfahren zur Synchronisation der Ausgangsspannung (U_WR) eines Wechselrichters an eine Referenzwechselspannung, wobei der von einer Steuerung angesteuerte Wechselrichter bei störungsfreiem Stromnetz aus einem an das Stromnetz angeschlossenen Gleichrichter versorgt wird und bei Netzausfall unterbrechungsfrei aus einer Batterie,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Referenzwechselspannung die Ausgangsspannung (U_WR) eines auf die Netzwechselspannung (U_N) synchronisierten, als Ma­ ster-Einheit konfigurierten, Wechselrichters (2) ist, dem ein weite­ rer Wechselrichter (3) parallel geschaltet ist,
• - daß eine Steuerung der Master-Einheit ein zu ihrer Ausgangsspannung synchrones Signal aus Rechteckimpulsen (1.2, 2.2, 3.2) erzeugt,
• - daß die Dauer der Halbwellen der Ausgangsspannung (U_WR) des Wechselrichters die Breite der Rechteckim­ pulse (1.2, 2.2, 3.2) bestimmt,
• - daß die Master-Einheit ständig eine Abtastzeit (T_A), die der Quotient zwischen Periodendauer (T_P) und Anzahl (n_A) der Abtastungen pro Periode der Ausgangsspannung (U_WR) des Wechselrichters (2) ist, dem parallel geschalteten, als Slave-Einheit konfigurierten weiteren Wechselrichter (3) übermittelt,
• - daß für den weiteren Wechselrichter (3) die Abtastzeit (T_A) von einem Steueralgorithmus übernommen wird, der eine fe­ ste Abfolge von Programmzyklen aufweist, die einzeln jeweils zwischen zwei Ab­ tastungen abgearbeitet werden,
• - daß zyklisch zunächst durch eine vorgebbare, periodisch auftretende Flanke eines Rechteckimpulses (1.2, 2.2, 3.2) des mit der Ausgangs­ spannung (U_WR) der Master-Einheit synchronen Signals ein Interrupt in der Sla­ ve-Einheit ausgelöst wird und
• - daß anschließend durch diesen Interrupt mit ei­ nem vorbestimmten Programmzyklus, der einen festgelegten Samplezeitpunkt entspricht und bei bestehender Synchronisation auf den Zeitpunkt der vorgebba­ ren, periodisch auftretenden Flanke folgt, im Steuerungsalgorithmus der Sla­ ve-Einheit fortgefahren wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung (U_N) des Stromnetzes in einer Periodendauer (T_PNetz) ih­ rer Grundschwingung mit einer vorgebbaren Anzahl (n_A) von Abtastungen erfaßt wird, daß verschiedene, in einer vorgebbaren Abfolge abzuarbeitenden Pro­ grammzyklen des Steuerungsalgorithmus zur Synchronisation der Ausgangs­ spannung (U_WR) des Wechselrichters (2) mit der Referenzwechselspannung einzeln jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Abtastungen ausgeführt werden, daß dieser Steueralgorithmus, der während des gesamten Ablaufs des Verfahrens mit der Periode des Stromnetzes synchronisiert wird, die Netzperiode T_pnetz(m) nach folgender Formel bestimmt: T_PNetz(m) = T_PNetz(m-1)+k2_*[β2_*b₁(m-1)-b₁(m)]worin mit:
k2, β2 Reglerparameter, mit
m eine fortlaufende Nummer der Netzperiode (m = 1, 2, 3 . . .), und mit
b1 der Fourierkoeffizient der Sinusschwingung der Grundwelle der Wech­ selspannung des Stromnetzes bezeichnet wird
und daß der Fourier-Koeffizient b1 nach folgender Formel bestimmt wird: worin mit
U(i) die Wechselspannung des Stromnetzes, zu der der Wechselrichter synchronisiert werden soll, und mit
Φ_inc = der Winkel bezeichnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine positive Halbwelle der Ausgangsspannung (U_WR) des Wechselrichters einen positiven Rechteckimpuls und eine negative Halbwelle einen negativen Rechteckimpuls hervorruft und daß die Breite dieser Rechteckimpulse jeweils der Breite der zugehörigen Halbwelle entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß stets im Zeitpunkt eines positiven Nulldurchgangs der Wechselspannung (U_WR) des Wechselrichters der Wert des Zählers abgefragt wird und daß die Ab­ weichung e(m) gemäß folgender Formel bestimmt wird: e(m) = (t_WR/2)-t2_WR-t_constworin mit
t2_WR der aktuelle Wert des Zählers und mit T_const ein konstanter vergeb­ barer Wert mit T_const <,0 bezeichnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die Zeit zwischen dem Zeitpunkt der vorgebbaren, periodisch auftretenden Flanke des Rechteckimpulses (1.2; 2.2; 3.2) und dem Einsetzen des vorbestimmten Programmzyklus als Regelabweichung zur Feinregelung einem digitalen Regler zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die vorgebbare, periodisch auftretende Flanke die abfallende Flanke eines periodischen Rechteckimpulses des Signals aus Rechteckimpulsen (1.2; 2.2; 3.2) ist.

8. Schaltungsanordnung für eine unterbrechungsfreie Stromversor­ gung, wobei der von einer Steuerung angesteuerte Wechselrichter (2), der mindestens einen Verbraucher versorgt, sowohl mit dem Ausgang eines an das Stromnetz angeschlossenen Gleichrichters als auch mit einer Batterie verbunden ist, und wobei eine elektronische Umschalteinrichtung (EUE) vorhanden ist, die im Falle von Stö­ rungen eine unmittelbare Verbindung der Verbraucher mit dem Stromnetz her­ stellt, zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (2) und die elektronische Umschalteinrichtung (EUE) je­ weils mit einer Mikrocontrollersteuerung ausgerüstet sind, daß die Steuerungen über ein Bussystem (5) verbunden sind, daß über das Bussystem (5) von der Steuerung der elektronischen Umschalteinrichtung (EUE) periodisch ein Wert für die Phasenverschiebung zwischen den zu synchronisierenden Wechselspannun­ gen übertragen wird, daß zwischen den beiden Steuerungen zusätzlich ein Syn­ chronisationsbus (4) vorhanden ist, der ein mit der Ausgangsspannung des Wechselrichters (2) synchrones Signal aus Rechteckimpulsen (1.2; 2.2; 3.2) an die Steuerung der elektronischen Umschalteinrichtung (EUE) überträgt.

9. Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (2) als Master-Einheit konfiguriert ist, daß parallel zu der Master-Einheit ein weiterer Wechselrichter (3) mit jeweils einer eige­ nen Steuerung vorhanden ist, daß die Master-Einheit über ein weiteres Bussy­ stem (6) mit allen Steuerungen der parallel geschalteten Wechselrichter (3) ver­ bunden ist, daß dieses Bussystem der Übertragung eines Wertes für die Ab­ tastdauer (T_A) zwischen zwei unmittelbar benachbarten Abtastzeitpunkten dient und daß auch die der Master-Einheit parallel geschalteten Wechselrichter (3) an den Synchronisationsbus (4) angeschlossen sind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Wechselrichtern (2, 3) weitere Wechselrichter als Slave-Einheiten parallel geschaltet sind, die mit dem Bussystem (6) und dem Synchronisationsbus (4) verbunden sind.