DE19626447C2 - Verfahren zur Integration beliebiger für den stationären Betrieb von U-Pulsstromrichtern optimierter Pulsmuster in eine hochdynamische zeitdiskrete Vektorregelung - Google Patents

Verfahren zur Integration beliebiger für den stationären Betrieb von U-Pulsstromrichtern optimierter Pulsmuster in eine hochdynamische zeitdiskrete Vektorregelung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration beliebiger für den stationären Betrieb von U-Pulsstromrichtern optimierter Pulsmuster in eine hochdynamische zeitdiskrete Vektorregelung.
In der Antriebstechnik werden häufig Pulsstromrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis (U-Pulsstromrichter) als Antriebsstromrichter eingesetzt (Fig. 1a der Zeichnung). Weiterhin werden Netzstromrichter als U-Pulsstromrichter konzipiert, wenn eine netzfreundliche und hochdynamische Speisung eines Gleichspannungs-Zwischenkreises mit einer Zwischenkreisspannung Ud benötigt wird (Fig. 1b der Zeichnung). Insbesondere für Netzkupplungen, die eine frequenzelastische Kopplung von Netzen mit unterschiedlichen Frequenzen herstel­ len, werden teilweise netzfreundliche U-Pulsstromrichter eingesetzt. Fig. 2a der Zeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau des Leistungsteils eines derartigen Netzkupplungs-Um­ richters in 3-Level-Technik für eine hohe Leistung (z. B. 12 MW), der ein 50 Hz-Drehstrom-Landesnetz mit einem 16 2/3 Hz-Wechselstrom-Bahnnetz koppelt. Die 3-Level-Vierquadranten­ steller (Aufbau siehe Fig. 2b der Zeichnung) sind zur galva­ nischen Entkopplung über offene Wicklungen an die Transfor­ matoren angeschlossen. Der drehstromseitige Teilumrichter der Netzkupplung könnte ebenso zur Speisung eines Drehstrommotors mit offenen Ständerwicklungen eingesetzt werden.
Die Pulsfrequenz, mit der die Leistungshalbleiter des U-Puls­ stromrichters betrieben werden können, ist durch die Schaltverluste begrenzt und beträgt vor allem bei U-Puls­ stromrichtern großer Leistung (< 1 MW) nur wenige hundert Hertz. Auch bei U-Pulsstromrichtern kleinerer Leistung kann es sinn­ voll sein, die maximal zulässige Pulsfrequenz der Leistungs­ halbleiter bewußt nicht auszuschöpfen, sondern den U-Puls­ stromrichter mit einer weit geringeren Pulsfrequenz zu betreiben, um Umrichterverluste zu reduzieren und auf eine aufwendige Kühlung verzichten zu können.
Beträgt die Pulsfrequenz des U-Pulsstromrichters weniger als das 10-fache der Frequenz der zu modulierenden Spannung, so können je nach Art der Pulsung beträchtliche Oberschwingungen in den Strangströmen iR, iS, iT entstehen, die erhöhte Verluste im Leistungsteil bzw. Pendelmomente im gespeisten Drehstrom­ motor hervorrufen oder durch die die im Netz maximal zulässigen Oberschwingungsgrenzwerte überschritten werden. Bei der An­ steuerung des U-Pulsstromrichters über einen Pulsmuster­ generator ist es jedoch möglich, die entstehenden Oberschwin­ gungen durch geeignete Wahl des Pulsmusters zu beeinflussen. Wird das Pulsmuster mit der Grundschwingung der zu modulie­ renden Spannung synchronisiert, so kann für den stationären Betrieb eine gezielte Reduzierung bzw. Unterdrückung uner­ wünschter Oberschwingungen durch Optimierung der in einer Periode befindlichen Schaltwinkel vorgenommen werden. Eine derartige Optimierung der Schaltwinkel ist bekannt (s. z. B. Tenti, P.: A Quasi Analytical Procedure for Determining the Optimum Commutation Angles of PWM Converters. Archiv für Elektrotechnik 62 (1980), 343-350 oder Patel, S.; Hoft, R. G.: Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters: Part I-Harmonic Elimination. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-9, No. 3, May/June 1973, 310-317 bzw. Patel, S.; Hoft, R. G.: Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters: Part II-Voltage Control Techniques. IEEE Trans. Ind. Appl., vol IA-10, No. 5, Sep/Oct 1974, 666-673).
Die Zahl der pro Periode für die Optimierung zur Verfügung stehenden Schaltwinkel ist festgelegt durch die Pulsfrequenz und die aktuelle Frequenz der zu modulierenden Spannung. Mit Hilfe des Optimierungsverfahrens werden die Schaltwinkel einer Periode so bestimmt, daß mit dem Pulsmuster zum einen eine vorgegebene Grundschwingungsamplitude eingestellt wird und zum anderen unerwünschte Oberschwingungen unterdrückt werden. Für die vorgegebene Zahl von Schaltwinkeln pro Periode liefert die Optimierung somit als Ergebnis eine Tabelle von optimalen Schaltwinkeln in Abhängigkeit von der Grundschwingungs­ amplitude.
Beim Einsatz der für den stationären Betrieb optimierten Pulsmuster in einer zeitdiskreten feldorientierten Regelung eines Netz- oder Antriebsstromrichters treten folgende Probleme auf:
  • 1. Es sind nur Winkeltabellen in Abhängigkeit von der einzustellenden Grundschwingungsamplitude gegeben, die im stationären Betrieb zu verwenden sind. Für dynamische Regelvorgänge existiert keine Vorschrift zur Bildung des Pulsmusters. In der Regel kann kein Vektormodulations­ verfahren gefunden werden, das einerseits beliebig vorge­ gebene Spannungszeiger über ein Abtastintervall exakt moduliert und andererseits im stationären Betrieb aus­ schließlich exakt die optimierten Schaltwinkel verwendet.
  • 2. Zu dem optimierten Pulsmuster existieren meist keine ge­ eigneten pulsmustersynchronen äquidistanten Abtastzeit­ punkte, zu denen der Grundschwingungsanteil der Strang­ ströme iR, iS, iT frei vom Stromrippel abgetastet werden kann.
Eine übliche Realisierung der für den stationären Betrieb "Off-Li­ ne"-optimierten Pulsmuster in einer feldorientierten Regelung ist in Fig. 3 der Zeichnung skizziert (s. z. B. Pollmann, A.; Gabriel, R.: Zündsteuerung eines Pulswechselrichters mit Mikrorechner. Regelungstechnische Praxis 22. Jahrgang 1980, Heft 5, 145-150) zum besseren Verständnis ist hier lediglich die üblicherweise einer Zwischenkreis-Spannungsregelung bei einem Netzpulsstromrichter oder einer Drehmoment-Regelung bzw. Fluß-Aussteuerungsregelung bei einem mit einem (Dreh­ strom-)Antrieb verbundenen Antriebsstromrichter unterlagerte Stromregelung dargestellt. Die Strangströme iR (k), iS (k) werden zu zeitdiskreten Abtastzeitpunkten synchron mit dem Pulsmuster abgetastet, in die orthogonalen Komponenten (α,β) transformiert und der Stromregelung zugeführt. TA(k) ist die Länge des Abtastintervalls, in der der zeitdiskrete Regelungs­ algorithmus abgearbeitet wird. Von der überlagerten Regelung (Zwischenkreisspannungs-Regelung bei einem Netzpuls­ stromrichter, Drehmoment-Regelung und Fluß-Aussteuerungs-Re­ gelung bei einem Antriebsstromrichter) werden Stromsollwerte i*(α,β)(k) bereitgestellt. Stellgröße des Stromreglers sind die Sollamplitude u*(a)(k+1) und die Sollwinkelgeschwindig­ keit ω*u(k+1) der durch das Pulsmuster modulierten Spannung des nächsten Abtastintervalls. Die Sollamplitude u*(a)(k+1) wird als Grundschwingungsamplitude des "Off-Line"-optimierten Pulsmusters aufgefaßt. Zu u*(a)(k+1) wird unter Einbeziehung der Zwischenkreisspannung ud(k) der zugehörige Satz von optimierten Schaltwinkeln Si der Winkeltabelle entnommen und mit der Sollwinkelgeschwindigkeit ωu*(k+1) ausgegeben, indem die Abtastzeit TA(k+1) umgekehrt proportional zu ωu*(k+1) verstellt wird.
Abweichungen der abgetasteten Strangströme iR, iS vom Grund­ schwingungsanteil durch den Einfluß des Stromrippels werden nicht korrigiert und regen die Stromregelung unnötig zu Aus­ regelvorgängen an. Der Stromregler kann den Winkel des Soll­ spannungszeigers u*(k) nur indirekt über die Winkelgeschwin­ digkeit einstellen, eine direkte dynamische Beeinflussung ist bei diesem Verfahren nicht vorgesehen. Hierdurch können die bei dynamischen Regelvorgängen auftretenden Winkelsprünge des Soll­ spannungszeigers u*(k) nicht ohne Verzögerung umgesetzt werden, womit die erreichbare Dynamik herabgesetzt ist.
Durch die DE 44 31 397 C1 ist ein Verfahren zur Erfassung von Ausgangsstrom und -spannung eines hochdynamisch, zeitdiskret in veränderlichen Steuerungsintervallen gesteuerten, ausgangs­ seitig an einen Motor angeschlossenen Pulswechselrichters bekannt, das insbesondere auch bei niedriger Pulsfrequenz des Pulswechselrichters eine möglichst oberschwingungsfreie Erfassung der beiden Meßgrößen ohne die Verwendung von Filtern gewährleistet. Dazu werden der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangs­ spannung als Mittelwert ihres zeitlichen Verlaufs jeweils über ein Steuerungsintervall erfaßt, das bei einer Ansteuerung des Pulswechselrichters mittels einer Dreiecksmodulation durch die jeweilige Zeitspanne zwischen dem Maximum und dem Minimum des Dreiecksmodulationsträgers gegeben ist und das bei einer Ansteuerung des Pulswechselrichters mittels einer Vektor- oder Raumzeigermodulation dem jeweiligen Intervall der Vektor- oder Raumzeigermodulation entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist die exakte Realisierung beliebiger optimierter Pulsmuster in einer hochdynamischen, zeitdiskreten Vektorregelung ohne Beeinträchtigung der Regeldynamik.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Das beschriebene Verfahren vereint die Vorzüge der Vektormo­ dulation mit denen der Pulsmusteroptimierung für den stationä­ ren Betrieb. So kann eine rechnergestützte Pulsmusteroptimie­ rung zur Minimierung der Netzoberschwingungen entsprechend vorgegebener zulässiger Oberschwingungsspektren durchgeführt werden und das Ergebnis problemlos in den Pulsmustergenerator in Form von Winkeltabellen eingespeist werden. Die dynamische Pulsmusterkorrektur arbeitet unabhängig von der Art der opti­ mierten Pulsmuster und sorgt für die exakte Realisierung des Sollspanungszeigers.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll für ein Ausführungsbeispiel im folgenden anhand der Fig. 4 und 5 der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen
Fig. 4 eine hochdynamische Stromregelung mit dem Vektor­ modulationsverfahren nach der Erfindung für "Off-Li­ ne"-optimierte Pulsmuster und
Fig. 5 die zeitlichen Verläufe der Strangspannungen eines drehstromseitigen Teilumrichters.
In Fig. 4 sind aufbauend auf der zu Fig. 3 bereits beschrie­ benen Stromregelung die erfindungsrelevanten Teile der Vektor­ regelung skizziert. Die Strangströme werden zu zeitdiskreten Zeitpunkten synchron mit dem Pulsmuster abgetastet und in die orthogonalen Komponenten (α,β) transformiert. Wie bereits er­ läutert, enthalten die abgetasteten Strangströme bei der Verwendung optimierter Pulsmuster unweigerlich Anteile des Stromrippels, die nicht von der Regelung beeinflußt werden können und die Regelung somit nur stören. Um dies zu vermeiden, werden die Anteile des Stromrippels Δi(α,β), die vom verwen­ deten optimierten Pulsmuster abhängen, von den abgetasteten Strömen i(α,β) subtrahiert. Der so korrigierte Strom i|∼/α,β)(k) wird der Stromregelung zugeführt. Von einer überlagerten, zu Fig. 3 bereits angesprochenen Regelung werden die Stromsoll­ werte i*(α,β)(k) bereitgestellt. Stellgröße des Stromreglers ist im Gegensatz zu dem zu Fig. 3 beschriebenen Verfahren ein Sollspannungszeiger u(α,β)*, der bei dynamischen Regelvorgängen große Winkel- und Amplitudenänderungen aufweisen kann. Grundvoraussetzung für eine hochdynamische Stromregelung ist eine möglichst exakte Umsetzung des Sollspannungszei­ gers u(α,β)* durch ein geeignetes Pulsmuster. Gleichzeitig müssen im stationären Betrieb die vom Optimierungsverfahren vorgegebenen stationär optimierten Schaltwinkel eingehalten werden. Diese Aufgaben werden von der Erfindung in folgender Weise gelöst:
Es wird zunächst die pulsmustersynchrone Abtastung der Strang­ ströme für das verwendete optimierte Pulsmuster festgelegt, womit auch die Abtastintervalle der zeitdiskreten Vektor­ regelung bestimmt sind. Hierzu werden die Strangspannungen an den Klemmen des Drehstrommotors, der Netzdrossel bzw. des Drehstromtransformators über einer Periode betrachtet, wie sie vom U-Pulsstromrichter entsprechend dem vorgegebenen opti­ mierten Pulsmuster eingeprägt werden. Fig. 5 zeigt beispielhaft die Strangspannungen des drehstromseitigen Teilumrichters des in Fig. 2a in seinem bekannten Aufbau gezeigten Netzkupplungs­ umrichters für eine vorgegebene Aussteuerung. Entsprechend der Schaltwinkel des optimierten Pulsmusters wechseln die Strang­ spannungen zwischen fünf Spannungsniveaus von der vollen positiven Zwischenkreisspannung +ud bis zur vollen negativen Zwischenkreisspannung -ud, da jede Strangspannung von einem 3-Le­ vel-Vierquadrantensteller erzeugt wird (siehe Fig. 2a). Die Periode der drei Strangspannungen wird nun derart in n äquidi­ stante Abschnitte unterteilt, daß das zugehörige Pulsmuster unabhängig von der aktuellen Grundschwingungsamplitude in jedem Abschnitt mindestens in zwei Strängen jeweils mindestens einen Schaltwinkel aufweist. Für das Pulsmuster des drehstromseitigen Teilumrichters ist diese Bedingung hier erfüllt, wenn die in Fig. 5 skizzierten 30°-Abschnitte gewählt werden. Diese Abschnitte sind im folgenden die Abtastintervalle der zeitdiskreten Regelung.
Für die Vektorregelung ist der mittlere Spannungszeiger von Bedeutung, der durch das optimierte Pulsmuster in einem Abtastintervall moduliert wird. Der mittlere Grundschwingungs­ spannungszeiger usyn(α,β),i eines Abtastintervalls der durch
wobei usyn(a) die Grundschwingungsamplitude des Pulsmusters ist und die Winkel ϕi das pulsmustersynchrone Abtastintervall festlegen (siehe auch Fig. 5). Bei der Berechnung des mittleren Grundschwingungsspannungszeigers usyn(α,β),i wird bewußt nur die modulierte Grundschwingung und nicht der tatsächliche puls­ musterabhängige Verlauf des Spannungszeigers berücksichtigt, da die Vektorregelung nur diesen modulierten Grundschwingungs­ anteil vorgibt. Der vernachlässigte pulsmusterabhängige Anteil ist durch die Vektorregelung nicht beeinflußbar.
Für die Umsetzung des von der Stromregelung vorgegebenen Sollspannungszeigers u(α,β)* wird gemäß Fig. 4 dieser Sollspannungszeiger von einem Synchronisationsregler auf die Spannungszeiger usyn(α,β),i durch Variation der Abtastzeit TA synchronisiert. Entsprechend der Amplitude des Sollspannungs­ zeigers u(α,β)* werden die zugehörigen optimierten Schaltwinkel aus der Winkeltabelle entnommen. Im stationären Betrieb ist der Sollspannungszeiger u(α,β)* identisch mit dem mittleren Spannungszeiger usyn(α,β),i der durch das optimierte Pulsmuster modulierten Grundschwingung. Bei dynamischen Vorgängen werden jedoch deutliche Abweichungen zwischen u(α,β)* und usyn(α,β),i auftreten, die ebenfalls exakt durch das Pulsmuster moduliert werden müssen, damit eine hohe Regeldynamik erreicht werden kann. Hierzu wird der Differenzspannungszeiger Δu(α,β) der dynamischen Pulsmusterkorrektur zugeführt. Da das optimierte Pulsmuster in jedem Abtastintervall Schaltwinkel in mindestens zwei von drei Strängen vorgibt, kann die dynamische Pulsmuster­ korrektur durch Verschiebung dieser Schaltwinkel den Differenz­ spannungszeiger Δu(α,β) exakt umsetzen. Treten mehrere Schalt­ winkel in einem Strang auf, so werden entsprechend dem Diffe­ renzspannungszeiger Δu(α,β) alle Schaltwinkel dieses Stranges gleichmäßig verschoben. Liegen die Schaltwinkel des optimierten Pulsmusters ungünstig und müssen große Differenzspannungszei­ ger Δu(α,β) realisiert werden, so kann es notwendig sein, hier­ für zusätzliche Schaltwinkel vorzusehen.
Bei der Berechnung des mittleren Spannungszeigers usyn(α,β),i nach (Gl. 1) wurde nur die durch das optimierte Pulsmuster modulierte Grundschwingung berücksichtigt. Für die Berechnung des durch den Stromrippel verursachten Stromfehlers Δi(α,β) bei der Abtastung der Strangströme wird nun der tatsächliche pulsmusterabhängige mittlere Spannungszeiger u(α,β),i des je­ weiligen i-ten Abtastintervalls benötigt. Hierzu wird der durch das optimierte Pulsmuster festgelegte Spannungszeiger u(α,β) über das jeweilige Abtastintervall integriert:
Hiermit wird der mittlere Differenzspannungszeiger Δuopt(α,β),i gebildet:
Δuopt(α,β),i = uopt(α,β),i - usyn(α,β),i, (3)
der zur Berechnung des Stromfehlers Δi(α,β) verwendet werden kann. Werden die ohmschen Anteile nicht berücksichtigt, so errechnet sich Δi(α,β) mit Hilfe der Streuinduktivität Lσund der aktuellen Abtastzeit TA(k) zu:

Claims (5)

1. Verfahren zur Integration beliebiger für den stationären Betrieb optimierter Pulsmuster, nach welchen ein U-Puls­ stromrichter, der als Netzpulsstromrichter bzw. Motorstrom­ richter eingesetzt wird, Spannungen an den Klemmen einer Netz­ drossel, eines Drehstromtransformators oder eines Drehstrom­ motors einprägt, in eine hochdynamische zeitdiskrete Vektor­ regelung, wobei eine Grundschwingungsperiode des optimierten Pulsmusters der drei Stränge, welches in Form von Tabellen der Schaltwinkel für verschiedene Grundschwingungsamplituden vorliegt, derart in n äquidistante Abschnitte der Grund­ schwingungsperiode unterteilt wird, daß unabhängig von der Grundschwingungsamplitude in jedem Abschnitt mindestens in zwei Strängen jeweils mindestens ein Schaltwinkel liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsmustersynchrone Abtastung der Strangströme für die Vektorregelung jeweils zu Beginn der äquidistanten Abschnitte der Grundschwingungsperiode des optimierten Pulsmusters erfolgt und die äquidistanten Abschnitte somit die Abtastintervalle der Vektorregelung festlegen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zu den Abtastintervallen die mittleren Grundschwin­ gungsspannungszeiger usyn(α,β),i der durch das Pulsmuster modulierten Grundschwingung nach
berechnet werden, wobei usyn(a) die Grundschwingungsamplitude des Pulsmusters ist und die Winkel ϕi das pulsmustersynchrone Abtastintervall festlegen,
und daß ein Synchronisationsregler den von der Stromregelung vorgegebenen Sollspannungszeiger u(α,β)* auf die mittleren Grundschwingungsspannungszeiger usyn(α,β),i durch Variation der Abtastzeit TA synchronisiert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Betrag des Sollspannungszeigers u(α,β)* mit Hilfe einer Glättung und Hysterese die Grundschwingungsamplitude bestimmt wird und zu dieser Grundschwingungsamplitude die optimierten Schaltwinkel für das aktuelle Abtastintervall einer Tabelle entnommen werden,
daß die so ermittelten Schaltwinkel der dynamischen Pulsmuster­ korrektur zugeführt werden,
daß von dem Sollspannungszeiger u(α,β)* der Stromregelung der aktuelle mittlere Grundschwingungsspannungszeiger usyn(α,β),i subtrahiert wird, der so berechnete Differenzspannungszei­ ger Δu(α,β) mit Hilfe einer dynamischen Pulsmusterkorrektur durch Verschiebung der im Abtastintervall vorhandenen Schalt­ winkel exakt berücksichtigt wird und die modifizierten Schaltwinkel im folgenden Abtastintervall ausgegeben werden,
daß bei mehreren Schaltwinkeln in einem Strang entsprechend dem Differenzspannungszeiger Δu(α,β) alle Schaltwinkel dieses Stranges gleichmäßig verschoben werden
und daß in Ausnahmefällen zusätzliche Schaltwinkel vorgesehen werden, wenn die Schaltwinkel des optimierten Pulsmusters ungünstig liegen und große Differenzspannungszeiger Δu(α,β) realisiert werden müssen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche pulsmusterabhängige mittlere Spannungs­ zeiger uopt(α,β),i des jeweiligen i-ten Abtastintervalls nach
berechnet wird,
daß der mittlere Differenzspannungszeiger Δuopt(α,β),i aus der Differenz zwischen dem tatsächlichen mittleren Spannungszeiger uopt(α,β),i und dem mittleren Grundschwingungsspannungszei­ ger usyn(α,β),i nach der Beziehung
Δuopt(α,β),i = uopt(α,β),i - usyn(α,β),i (7)
gebildet wird,
daß ein Abtaststromfehler Δi(α,β) unter Vernachlässigung der ohmschen Anteile mit Hilfe der Streuinduktivität Lσ und der aktuellen Abtastzeit TA(k) nach der Formel
berechnet wird
und daß dieser Abtaststromfehler Δi(α,β) zur Korrektur von den abgetasteten Strangströmen subtrahiert wird, bevor die so korrigierten Ströme der Stromregelung zugeführt werden.
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