DE19630693A1 - Verfahren zur Regelung der Spannung(en) am Ausgang eines Wechselrichters - Google Patents
Verfahren zur Regelung der Spannung(en) am Ausgang eines WechselrichtersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Spannung(en) am
Ausgang eines Wechselrichters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 208 088 A1 bekannt. Es ist dort
ein dreiphasiger Wechselrichter beschrieben bei dem das erzeugte
Ausgangsspannungssystem auch bei unsymmetrischer Belastung symmetrisch
gehalten wird. Für die Regelung gibt ein Sollwertgeber ein dreiphasiges,
unabhängig von der gesamten Wechselrichterschaltung erzeugtes
Spannungssystem vor.
Bei rein sinusförmigen Ausgangsspannungen werden die
Spannungseffektivwerte auf ca. 1% genau geregelt. Bei nichtlinearer Last
und/oder unsymmetrischer Belastung des Dreiphasensystems verschlechtert
sich dieser Wert erheblich auf bis zu 3%.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der
Spannung(en) am Ausgang eines Wechselrichters zu schaffen, mit Hilfe
dessen bei allen Belastungen, selbst bei erhöhtem Klirrfaktor und - im
Falle eines mehrphasigen Wechselrichters - bei ungleichmäßiger Belastung
der Phasen eine besonders hohe stationäre Genauigkeit des bzw. der
Spannungseffektivwerte erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach
Anspruch 1.
Erfindungsgemäß setzt sich die Führungsgröße für die dynamische
Spannungsregelung aus zwei Anteilen zusammen, nämlich einem vorgebbaren
Festwert und einem (diesem aufsummierten) Anpassungswert. Der
Anpassungswert wird aus einer "online" und in Echtzeit betriebenen
Effektivwertregelung gewonnen. Er kann ein positives oder ein negatives
Vorzeichen annehmen; folglich kann die Führungsgröße (nach der Addition)
größer oder kleiner als der vorgebbare Festwert sein.
Die Führungsgröße für den Regler einer jeden Phase wird also nicht fest
vorgegeben, sondern - für jede Phase getrennt - in Abhängigkeit von dem
(aktuellen) Effektivwert der Spannung am Ausgang der jeweiligen Phase
immer wieder neu berechnet (True RMS).
Da der Regler digital arbeitet, werden die Effektivwerte (Istwerte) in
ständiger Wiederholung aus Augenblickswerten ermittelt.
Ein günstiger Festwert läßt sich beispielsweise dadurch erzeugen, daß der
Sollwert für den Effektivwert der Spannung (z. B. 230 V) über einen
digitalen Vorfilter des Reglers gegeben wird; dadurch wird ein Wert
gebildet, der proportional ist zu dem Sollwert des Effektivwertes. Der
Festwert führt die hochdynamische Spannungsregelung aus (Nachfahren des
Sinus) im Sinne eines Zustandsreglers, der die Sinusform bildet.
Es reichen wenige Abtastwerte, und trotzdem sind eine hohe Genauigkeit
und eine große Schnelligkeit erzielbar.
Als Regler für den Wechselrichter, denen die erfindungsgemäß ermittelten
Führungsgrößen zugeführt werden, eignen sich übliche Regler, die - für
jede Phase getrennt - den Effektivwert der jeweiligen Spannung am
Ausgangs regeln.
Bei einem mehrphasigen Wechselrichter sind die Spannungen am Ausgang
üblicherweise die Spannungen zwischen Phase und Nulleiter. Es können
aber auch die Spannungen zwischen zwei Phasen sein. In den beiden
vorgenannten Fällen sind - wegen der Verschiedenheit der zugrunde
liegenden Spannungen - selbstverständlich für den Regler unterschiedliche
Parameter einzustellen.
Gemäß Anspruch 3 wird zur Berechnung des Effektivwertes nach der
Anwendung der Simpson-Regel das Ergebnis durch die Anzahl der
Abtastintervalle, die in der durch die Abtastzeitpunkte begrenzten
Zeitspanne liegen, dividiert; bei digitalen Berechnungen entspricht die
Anzahl der Abtastintervalle der Dauer der Zeitspanne.
Selbstverständlich kann statt dessen auch von der Anzahl der
Abtastzeitpunkte ausgegangen werden (vgl. Anspruch 2); dabei verdient
allerdings Beachtung, daß sowohl am Beginn der Zeitspanne als auch an
Ihrem Ende ein Abtastzeitpunkt liegt; die Anzahl der Abtastzeitpunkt ist
also um eins größer als die Anzahl der Abtastintervalle.
Durch Wahl eines geeigneten Startwertes für das Iterationsverfahren zur
Bildung der Quadratwurzel läßt sich gemäß Anspruch 5 die Anzahl der
Iterationsschritte begrenzen, wobei trotzdem ein genaues Ergebnis der
Wurzelbildung erreicht wird. Wenn als Startwert der (auszuregelnde)
Sollwert des Spannungseffektivwertes eingesetzt wird (beispielsweise
230 V) reichen lediglich zwei Iterationsschritte zur Bildung der
Quadratwurzel (in genügender Genauigkeit) aus.
Gemäß Anspruch 8 wird der Anteil der Führungsgröße, der fest vorgegeben
ist, so festgelegt, daß bei einer Übereinstimmung zwischen dem Istwert des
Spannungseffektivwertes und seinem Sollwert (beide Spannungswerte
beispielsweise bei 230 V) der Anpassungswert null oder annähernd null ist.
In einem solchen Fall ist die Führungsgröße praktisch genau so groß wie
der Festwert, und es tritt keine Regelabweichung auf.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer
Zeichnung, aus der sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher
beschrieben.
Die Fig. zeigt den Verlauf der quadrierten Spannung (u²(t)) am Ausgang
eines Wechselrichters über einer Halbperiode. Im Falle eines mehrphasigen
Wechselrichters könnte es sich beispielsweise um eine quadrierte
Phasenspannung (Spannung zwischen Phase und Nulleiter) handeln.
Bei Verwendung eines digitalen Rechners werden für die Regelung, also
einen im Rechner implementierten Regelalgorithmus, stets diskrete Werte
benötigt.
Es ist möglich, aus zeitdiskret abgetasteten Werten einer Wechselspannung,
den Effektivwert (in für die Regelung ausreichender Genauigkeit) zu
berechnen.
Im Falle eines kontinuierlichen Verlaufs der Wechselspannung läßt sich der
Effektivwert mit folgender Formel aus dem Integral über eine Vollperiode
der quadrierten Spannung berechnen:
ueff = {(1/T) * ₀∫T u²(t)dt}1/2
In der Figur ist der Verlauf einer quadrierten Spannung u²(t) (f(t) = u²(t))
durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Durch Kreuze sind quadrierte
Abtastwerte für die Spannung am Ausgang des Wechselrichters für
Abtastzeitpunkte t₀, t₁, t₂, t₃ und t₄ angedeutet. Die Zeitspanne vom
Abtastzeitpunkt t₀ bis zum Abtastzeitpunkt t₄ ist identisch mit der Dauer
von vier Abtastintervallen, denn die fünf Abtastzeitpunkte t₀, t₁, t₂, t₃
und t₄ begrenzen insgesamt vier gleich große Abtastintervalle. Die
Zeitspanne beträgt eine halbe Netzperiode, also T/2.
Mit Hilfe der Simpsonschen Regel läßt sich aus Spannungen, die in
regelmäßigen Zeitabständen abgetastet und quadriert wurden, der
Effektivwert der Spannung (in guter Näherung) berechnen.
Dazu muß nach der Ermittlung des Wertes für das Integral der gewonnene
Wert durch die Breite des Intervalls dividiert werden - im Falle einer
digitalen Berechnung durch die Anzahl der Abtastzeitpunkte in dem
Intervall. Aus dem Ergebnis wird anschließend die Wurzel gezogen.
Für die Anwendung der Simpsonschen Regel auf das in der Fig. dargestellte
Beispiel gilt folgendes:
Das Integral für die quadrierte Spannung berechnet sich (in guter
Näherung) zu
1/(3*a) * (u²(t₀)+2*u²(t₁)+4*u²(t₂)+2*u²(t₃)+u²(t₄)),
wobei a die Anzahl der Abtastintervalle in der Zeitspanne ist, über die
das Integral gebildet wird. Im vorliegenden Fall sind fünf Abtastzeitpunkte
t₀ bis t₄ vorhanden, die vier Abtastintervalle begrenzen (es gilt hier also:
a=4; vgl. Figur).
Anstelle dieser Formel kann für die Berechnung auch folgende Formel
benutzt werden:
1/(3*a) * (u²(t₀)+4*u²(t₁)+4*u²(t₂)+2*u²(t₃)+u²(t₄)).
Die noch für die Berechnung des Effektivwertes erforderliche Bildung der
Quadratwurzel läßt sich mit Hilfe des Newton-Verfahrens durchführen.
Die Iterationsvorschrift des Newton-Verfahrens für die Bildung einer
Quadratwurzel lautet:
Xn+1 = 1/2 * (Xn+α/Xn), wobei α der Startwert
ist.
Die Anzahl der erforderlichen Iterationen kann - bei einem Regler für
einen Spannungseffektivwert - auf zwei reduziert werden, indem im Falle
des Reglers für einen Wechselrichter als Startwert α der auszuregelnde
Nenneffektivwert der Spannung (z. B. 230 V) vorgegeben wird.
Bei einem Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannungen eines
mehrphasigen Wechselrichters werden die vorgenannten Rechenschritte für
jede Phase getrennt vorgenommen. Die auf diese Weise ermittelten
Effektivwerte werden in jeder Phase mit den zugehörigen Sollwerten der
Effektivwerte verglichen. Die Differenzen werden einzeln jeweils einem zu
der Phase gehörigen PI-Regler zugeführt.
Das Ausgangssignal ist ein zu der Phase gehöriger Anpassungswert, der im
Regler einem Festwert aufsummiert wird. Das Ergebnis ist die
Führungsgröße (bzw. ein der Führungsgröße proportionaler Wert) in der
jeweiligen Phase.
Die Regelung der Spannung am Ausgang des Wechselrichters wird somit in
jeder Phase getrennt vorgenommen.
Claims (10)
1. Verfahren zur Regelung der Spannung(en) am Ausgang eines
Wechselrichters mit einem Regler in jeder Phase,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - es wird der Effektivwert der Spannung(en) geregelt,
- - die Regelung arbeitet digital,
- - jedem Regler wird jeweils eine eigene Führungsgröße zugeführt,
- - jede Führungsgröße ist die Summe eines vorgebbaren Festwertes und eines zyklisch für die jeweilige Phase ermittelten Anpassungswertes,
- - für die Ermittlung des Anpassungswertes wird zunächst für jede Phase zu festgelegten Abtastzeitpunkten die Differenz zwischen dem jeweiligen Sollwert des Spannungseffektivwertes am zugehörigen Ausgang des Wechselrichters und seinem entsprechenden Istwert gebildet,
- - anschließend wird diese Differenz jeweils einem zugehörigen Integrierglied zugeführt,
- - die Größe am Ausgang dieses Integriergliedes ist dann unmittelbar bzw. nach einer Multiplikation mit einem Proportionalitätsfaktor der Anpassungswert der Führungsgröße für die jeweilige Phase.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale zur Ermittlung des Istwertes
des Spannungseffektivwertes:
- - es wird in ständiger Wiederholung in jeder Phase die zugehörige Spannung am Ausgang des Wechselrichters zeitdiskret abgetastet,
- - die abgetasteten Spannungswerte werden einzeln quadriert,
- - zyklisch wird aus einer vorgebbaren Anzahl von zeitlich unmittelbar hintereinander abgetasteten Spannungswerten, die zusammen mehrere Abtastintervalle begrenzen, mit der Simpsonschen Regel der Wert für das Integral der quadrierten Spannung über die durch diese Abtastintervalle gebildete Zeitspanne berechnet,
- - das Ergebnis wird durch die vorgebbare Anzahl der abgetasteten Spannungswerte dividiert, und
- - schließlich wird aus dem daraus gewonnenen Wert Xn mittels der Iterationsvorschrift Xn+1 = 1/2 * (Xn + α/Xn)die Quadratwurzel gebildet, wobei α ein vorgebbarer Startwert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale zur Ermittlung des Istwertes
des Spannungseffektivwertes:
- - es wird in ständiger Wiederholung in jeder Phase die zugehörige Spannung am Ausgang des Wechselrichters zeitdiskret abgetastet,
- - die abgetasteten Spannungswerte werden einzeln quadriert,
- - zyklisch wird aus einer vorgebbaren Anzahl von zeitlich unmittelbar hintereinander abgetasteten Spannungswerten, die zusammen mehrere Abtastintervalle begrenzen, mit der Simpsonschen Regel der Wert für das Integral der quadrierten Spannung über die durch diese Abtastintervalle gebildete Zeitspanne berechnet,
- - das Ergebnis wird durch die Anzahl der Abtastintervalle in der Zeitspanne dividiert, und
- - schließlich wird aus dem daraus gewonnenen Wert Xn mittels der Iterationsvorschrift Xn+1 = 1/2 * (Xn + α/Xn)die Quadratwurzel gebildet, wobei α ein vorgebbarer Startwert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von den Abtastintervallen gebildete Zeitspanne die Dauer
einer halben oder einer vollen Netzperiode ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Startwert α der Sollwert für den Effektivwert der jeweiligen
Spannung am Ausgang des Wechselrichters zugrundegelegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - die vorgebbare Anzahl von hintereinander abgetasteten Spannungswerten beträgt fünf,
- - die Berechnung des Wertes für das Integral der quadrierten Spannung (u²(t)) über die durch die Abtastintervalle gebildete Zeitspanne mittels der Simpsonschen Regel zusammen mit der Division des Ergebnisses durch die Anzahl der Abtastintervalle in der Zeitspanne wird mittels folgender Formel vorgenommen: 1/12 * (u²(t₀)+2*u²(t₁)+4*u²(t₂)+2*u²(t₃)+u²(t₄)).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die vorgebbare Anzahl von hintereinander abgetasteten
Spannungswerten beträgt fünf,
- die Berechnung des Wertes für das Integral der quadrierten
Spannung (u²(t)) über die durch diese Abtastintervalle gebildete
Zeitspanne mittels der Simpsonschen Regel zusammen mit der
Division des Ergebnisses durch die Anzahl der Abtastintervalle in
der Zeitspanne wird mittels folgender Formel vorgenommen:
1/12 * (u²(t₀)+4*u²(t₁)+4*u²(t₂)+2*u²(t₃)+u²(t₄)).
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Falle einer Übereinstimmung zwischen dem Istwert des
Spannungseffektivwertes am Ausgang und seinem Sollwert der
ermittelte Anpassungswert null oder annähernd null ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19630693A DE19630693C2 (de) | 1995-08-01 | 1996-07-30 | Verfahren zur Regelung der Spannung(en) am Ausgang eines Wechselrichters |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19528121 | 1995-08-01 | ||
DE19630693A DE19630693C2 (de) | 1995-08-01 | 1996-07-30 | Verfahren zur Regelung der Spannung(en) am Ausgang eines Wechselrichters |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19630693A1 true DE19630693A1 (de) | 1997-02-06 |
DE19630693C2 DE19630693C2 (de) | 1998-05-14 |
Family
ID=7768337
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19630693A Expired - Lifetime DE19630693C2 (de) | 1995-08-01 | 1996-07-30 | Verfahren zur Regelung der Spannung(en) am Ausgang eines Wechselrichters |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19630693C2 (de) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3131361A1 (de) * | 1981-08-07 | 1983-02-24 | Siemens Ag | Verfahren und vorrichtung zur laststromregelung eines polsumrichters |
EP0208088A1 (de) * | 1985-05-13 | 1987-01-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Vorrichtung zur Erzeugung eines symmetrischen dreiphasigen Spannungssystems mit belastbarem Null-Leiter |
EP0351783A2 (de) * | 1988-07-19 | 1990-01-24 | Hitachi, Ltd. | Pulsbreitenmodulierte Wechselrichter-Einrichtung |
DE4330944A1 (de) * | 1993-09-08 | 1995-03-09 | Aeg Westinghouse Transport | Verfahren zur prädiktiven Strombegrenzung bei einem statischen Bahnstrom-Umrichter |
-
1996
- 1996-07-30 DE DE19630693A patent/DE19630693C2/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19630693C2 (de) | 1998-05-14 |
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