DE19719913A1 - Verfahren zur Netzstoßlastoptimierung von getakteten Stromstellern, die im Parallelverbund arbeiten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Getaktete Stromsteller arbeiten nach dem Prinzip der Vollwellensteuerung In Abhängigkeit der vorgegebenen elektrischen Leistung, die einem elektrischen Verbraucher (in der Regel eine Heizung) zufließen soll, wird innerhalb einer einstellbaren Torzeit eine entsprechende Anzahl von Sinusvollwellen zugelassen, bzw. eine definierte Pause eingehalten.

Handelt es sich um größere Produktionsstätten, so arbeiten viele Stromsteller im Parallelverbund und erhalten auch gleichzeitig ihren Einschaltimpuls. Zwangsläufig entstehen dabei Augenblicke, in denen viele Steller gleichzeitig elektrische Leistung zulassen, sowie Augenblicke, in denen viele Steller gleichzeitig sich in der Pausenphase befinden. Daraus resultieren sehr ungleiche und stetig wechselnde Belastungszustände für das einspeisende elektrische Netz mit sehr hohen Differenzen zwischen maximalen und minimalen Stromamplituden. Solche Stoßbelastungszustände sind von den Energieversorgungsunternehmen unerwünscht.

Die handelsüblichen Stromsteller bieten zur Unterdrückung der oben beschriebenen Stoßbelastungszustände Parametrierungsmöglichkeiten für die zeitliche Länge der Torzeit sowie für einen verzögerten Start nach dem Freigabesignal. Durch eine sinnvolle Einstellung der Parameter kann eine Staffelung der Stromflußzeiten bzw. Pausenzeiten erreicht werden, die eine gleichmäßigere Belastung des einspeisenden elektrischen Netzes bewirkt.

Legitimation

Keineswegs aber stellt die dadurch erreichte verbesserte Stromverteilung die physikalisch mögliche optimale Lösung dar! Außerdem geht die Staffelung und somit die verbesserte Stromverteilung durch interne Neustarts der Stromsteller verloren. Interne Neustarts entstehen zeitlich unvorhergesehen und werden dadurch ausgelöst, daß eine interne Überwachungseinrichtung eines Stellers anspricht. Nur durch eine Komplettabschaltung der gesamten Anlage mit anschließendem Neustart (gemeinsamer Freigabeimpuls) kann die Staffelung wieder erreicht werden.

Günther und Partner GmbH möchte nachfolgend ein System vorstellen, das autark und stetig die physikalisch bestmögliche Stromverteilung einstellt. Der gesamte Produktionsprozeß wird dadurch weder angehalten, noch gestört.

Systembeschreibung

Das System besteht aus drei Komponenten:

• a) Industrie-PC;
• b) Speicherprogrammierbare Steuerung;
• c) Stromnulldurchgangserkennung.

Zu a): Ist für einen getakteten Stromsteller die eingestellte Torzeit, die Reglerkennlinie, sowie seine Sollwertvorgabe bekannt, so ist aus diesen drei Größen für den eingeschwungenen Regler eindeutig definiert, wie lange die Stromflußzeit dauert und wie lange die Pausenzeit dauert.
Beträgt die Torzeit eines Stellers z. B. 1000 Millisekunden und beträgt seine Sollwert­ vorgabe 60 Prozent, so läßt der eingeschwungene Regler für 600 ms Stromfluß zu, anschließend verharrt er 400 ms in der Pause - unter der Annahme einer Linearregelung.
Im Wechselstromnetz mit der Frequenz 50 Hz ergibt sich eine Stromflußdauer von 30 Sinusvollwellen (Vollwellensteuerung) und eine anschließende Pausenzeit von 20 Sinusvollwellen.

Die Aufgabe des Industrie-PC besteht nun darin, die Sollwerte aller am Prozeß beteiligten Stromsteller zu erfassen und aus der aktuellen Sollwertkonstellation mittels mathematischer Algorithmen aus einer endlichen Anzahl von Richtimpulsen die optimale Lösung für die Stromverteilung auszuwählen.

Nachfolgend einige Beispiele mit jeweils einer Graphik zur Veranschaulichung. Die Nennleistung aller Stromsteller ist in diesen Beispielen zunächst einmal gleich gewählt. Grundsätzlich kann die Leistung jedes einzelnen Stellers beliebig sein, da der PC in einem Benutzerdialog diese ertragt, und die Werte in die Berechnungen einfließen.

Die Torzeit aller Stromsteller ist in allen Beispielen auf 1000 ms festgelegt, sie kann aber ebenfalls beliebig sein, da sie über den Benutzerdialog vom PC ertragt wird. Da unterschiedliche Torzeiten innerhalb eines Prozesses nicht sinnvoll sind, wird für alle Steller die gleiche Torzeit vorausgesetzt.

Beispiel 1

In diesem ersten Beispiel erhalten 30 Stromsteller gleicher Nennleistung eine Sollwertvorgabe von 60 Prozent, die Torzeit ist auf 1000 ms festgelegt

Fig. 1:
Fig. 1 zeigt 30 untereinander angeordnete Steller. Die schwarzen wagerechten Balken symbolisieren die Zeit, in der der Steller Nennstrom führt. Die weißen Flächen symbolisieren die Zeit, in der kein Strom fließt. Dargestellt sind insgesamt vier Torzeiten. Die X-Achse umfaßt einen Zeitbereich von insgesamt 4000 ms, 600 ms Stromfluß, 400 ms Pause, 600 ms Stromfluß, 400 ms Pause usw. Das Liniendiagramm darunter bildet den Summenstrom ab. Die Y-Achse ist normiert in Stromamplituden. Die Fig. 1 zeigt die sehr starke Stoßstrombelastung des Netzes. 600 ms fließt der Strom von 30 Stellern (Summe von 30 Amplituden), dann fließt 400 ms gar kein Strom und so fortlaufend.

Wendet man die zuvor erwähnten mathematischen Algorithmen an, liefern diese einen Wert für einen Richtimpuls. In diesem Beispiel würden 100 ms für den Richtimpuls errechnet.

Die Zeit des so ermittelten Richtimpulses - hier: 100 ms - ergibt den notwendigen zeitlichen Versatz für die Staffelung der Stromflußzeiten bzw. Pausenzeiten der einzelnen Steller.

Die Auswirkung wird durch die Fig. 2 veranschaulicht.

Fig. 2:
Nach der zeitlichen Ausrichtung der Steller mit 100 ms stellt sich ein gleichmäßiger Summenstrom über die vier Torzeiten ein. In diesem Beispiel hat der Summenstrom sogar die ideale Kurvenform, eine Gerade. Die vorher stoßförmige Strombelastung des Netzes wird auf diese Weise in eine kontinuierliche Strombelastung umgeformt bei gleichzeitiger Entlastung um 30 Ampli.-18 Ampli. = 12 Amplituden in der Stromsumme.

Beispiel 2

Das folgende Beispiel zeigt 30 Steller gleicher Nennleistung aber unterschiedlicher Sollwertvorgaben.

Fig. 3:
Dargestellt sind 30 Steller gleicher Nennleistung mit unterschiedlichen Sollwerten zwischen 0 Prozent und 100 Prozent. Der Summenstrom zeigt eine sehr hohe Stoßbelastung für das einspeisende Netz mit sehr großen Differenzen zwischen maximalem und minimalem Stromfluß.

Läßt man die 30 Sollwerte die mathematischen Algorithmen durchlaufen, so errechnen diese einen Richtimpuls von 680 Millisekunden. Nach der Ausführung des Richtimpulses stellt sich eine Stromverteilung ein, wie die nächste Figur zeigt.

Fig. 4:
Nach dem ausgeführten Richtimpuls stellt sich die optimierte Stromverteilung ein. Das Netz ist mit nur noch minimalen Schwankungen gleichmäßig belastet. Die hohen Stromspitzen treten nicht mehr auf

Beispiel 3

Die Fig. 5 zeigt 30 Steller gleicher Nennleistung mit unterschiedlichen Sollwerten und willkürlichem zeitlichen Versatz, wie er in der Praxis immer auftritt. Das einspeisende Netz ist einer sehr starken Stoßbelastung ausgesetzt.

Wendet man auch in diesem Fall die mathematischen Algorithmen an, so wird ein Richtimpuls von 140 Millisekunden errechnet. Nach Ausführung des Richtimpuls stellt sich die nachfolgende Stromverteilung ein.

Fig. 6:
Nach der Ausführung des Richtimpuls stellt sich die optimierte Stromverteilung ein. Die große Stoßbelastung des einspeisenden Netzes ist auf minimale Schwankungen reduziert.

Die mathematischen Algorithmen

Die mathematischen Algorithmen benötigen für die Berechnung des Richtimpulses die folgenden Daten:

• 1) Die Nennleistung jedes einzelnen am Prozeß beteiligten Stellers.
• 2) Die gleichermaßen eingestellte Torzeit der Steller.
• 3) Die Reglerkennlinie der Steller.
• 4) Die Sollwertvorgabe eines jeden Stellers.

Aus den Angaben über die Torzeit, die Sollwertvorgabe und die Reglerkennlinie läßt sich eindeutig ableiten, wie lange die Stromflußzeit und die Pausenzeit eines jeden Stellers beträgt.

Voraussetzung ist der eingeschwungene Zustand des jeweiligen Reglers.

Die mögliche Anzahl an Richtimpulsen ist endlich und hängt ausschließlich von der Länge der Torzeit ab. Da getaktete Steller nach dem Prinzip der Vollwellensteuerung arbeiten, beträgt der zeitliche Abstand von einem möglichen Richtimpuls zu dem nächst möglichen Richtimpuls genau eine Sinusvollwelle. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz bedeutet dieses eine Zeitdauer von 20 Millisekunden. Richtimpulswerte, die größer sind als die eingestellte Torzeit der Steller sind nicht sinnvoll, da die Auswirkungen dieser Richtimpulse eine Wiederholung darstellen. Daraus resultiert aber die endliche Anzahl der möglichen Richtimpulse von

Anzahl an Richtimpulsen = eingestellte Torzeit: Periodendauer der Sinusvollwelle.

Für eine Torzeit von 1000 Millisekunden und eine Netzfrequenz von 50 Hz beträgt die mögliche Anzahl an Richtimpulsen 50.

Die mathematischen Algorithmen bestehen darin für jeden möglichen Richtimpuls einen Datensatz zu erzeugen, der den zeitlichen Versatz der Steller untereinander mit eben diesem Richtimpuls beinhaltet. Durch die Angabe der Nennleistung der einzelnen Steller läßt sich somit auch der Summenstrom der jeweiligen Konstellation bestimmen.

Für jeden möglichen Richtimpuls existiert somit eine Stromverteilungskurve. Eine Analyseprozedur wählt aus der endlichen Anzahl der Stromverteilungskurven die vorteilhafteste Lösung aus.

Der vollständige Aufgabenbereich des Industrie-PC

Der Industrie-PC liest über analoge Eingangskanäle die Sollwertvorgaben der einzelnen am Prozeß beteiligten Steller ein und berechnet einen Richtimpuls, der nach seiner Ausführung zu einer optimalen Stromverteilung führt.

Der Industrie-PC liest ebenfalls über einen analogen Eingangskanal den momentanen Kurvenverlauf des Stromes des einspeisenden elektrischen Netzes ein.

Nach einer Analyse des eingelesenen Stromverlaufes entscheidet der PC, ob die berechnete optimale Stromverteilung qualitativ besser ist als die momentane Iststromverteilung.

In diesem Fall gibt der PC den Befehl an die Speicherprogrammierbare Steuerung, den Richtimpuls in der berechneten zeitlichen Größe auszuführen.

Zu b): Die Speicherprogrammerbare Steuerung führt den durch den Industrie-PC berechneten Richtimpuls aus.
Zur Durchführung des Richtimpulses bedient sich die SPS der Impulssperre eines jeden Stellers. Die Impulssperre ist ein Signal, das jeder handelsübliche Stromsteller an seiner Schnittstelle der Außenwelt zur Verfügung stellt. Bei Betätigung der Impulssperre werden die Halbleiter innerhalb des Stellers nicht mehr angesteuert, so daß der elektrische Stromfluß beim nächsten Sinusnulldurchgang erlischt. Wird die Impulssperre aufgehoben, setzt der Stromfluß mit dem Beginn der nächsten Sinushalbwelle wieder ein.
Die SPS hat die Möglichkeit zu einem definierten Augenblick, den Stromfluß in einem Steller zu unterbrechen, bzw. den Stromfluß definiert wieder zuzulassen.

Zu c): Die Stromnulldurchgangserkennung registriert jeden Beginn einer positiven Sinushalbwelle, sowie jeden Beginn einer negativen Sinushalbwelle des einspeisenden Netzes und setzt zu Beginn einer jeden Halbwelle einen kurzen Impuls ab. Die SPS registriert die abgesetzten Impulse mittels zweier Zähleingänge.

Die Ausführung des Richtimpulses durch die SPS

As Beispiel gibt der PC den Befehl an die SPS, einen Richtimpuls von 100 ms auszuführen.

Die zeitliche Länge von 100 ms entspricht in einem 50 Hz Netz aber der Dauer von 5 Sinusvollwellen. Die SPS zählt anhand der Impulse, welche die Stromnulldurchgangserkennung generiert, die 5 Sinusvollwellen ab.

Nach dem Eintreffen des Zählimpulses der 5. positiven Sinushalbwelle setzt die SPS über einen digitalen Ausgang dem ersten Steller die Impulssperre für die Halbleiteransteuerung.

Nach dem Eintreffen des Zählimpulses der 5. negativen Sinushalbwelle hebt die SPS die Impulssperre für die Halbleiteransteuerung wieder auf, und der Stromfluß beginnt wieder mit dem Beginn der nächsten Sinushalbwelle.

Insgesamt wurde der Stromfluß in diesem Steller für maximal 1 Sinushalbwelle unterbrochen. Durch das Sperren und wieder Freigeben dieses Stellers setzt der Stromfluß nun zu einer definierten Zeit ein. Der zeitliche Beginn der Torzeit dieses Stellers wurde exakt neu definiert.

Der Zählvorgang beginnt von neuem, und der nächste Steller wird nach gleichem Schema nach 5 Sinusvollwellen ausgerichtet.

Sind alle Steller durchlaufen, so besteht ein exakter zeitlicher Abstand zwischen dem Beginn der Stromflußphasen aller Steiler von 100 ms, und die als günstigste berechnete Stromverteilung durch den PC stellt sich ein.

Das Ausführen eines jeden beliebigen Richtimpulses geschieht nach demselben Schema unter Berücksichtigung der jeweiligen Länge des Richtimpulses bzw. der jeweiligen Anzahl von Sinusvollwellen.

Die Fig. 7 dient der Veranschaulichung der Zählimpulse und der Veranschaulichung der zeitlichen Ausrichtung eines Stellers durch den Richtimpuls.

Die Figur zeigt die Anordnung der Zählinpulse in der positiven und in der negativen Sinushalbwelle sowie das zeitliche Ausrichten eines Stellers durch den Richtimpuls.

Zu Beginn jeder positiven und negativen Sinushalbwelle wird durch die Stromnull­ durchgangserkennung ein Zählimpuls abgesetzt. Die SPS zählt mit jeweils einem Zähleingang die Impulse der positiven Halbwellen und die Impulse der negativen Halbwellen. Die Zählimpulse stellen für die SPS sozusagen einen genauen Zeitgeber dar.

Soll das zeitliche Ausrichten der Steller mit einem errechneten Wert durchgeführt werden (Richtimpuls), so ermittelt die SPS durch Zählen der Halbwellenimpulse den genauen zeitlichen Abstand von einem Steller zu seinem nächsten.

Ist der zeitliche Abstand verstrichen, wertet die SPS den Impuls der positiven Halbwelle derartig aus, daß sie den entsprechenden Steller mittels seines Impulssperrensignales abschaltet. Der nächste eintreffende Impuls von der negativen Sinushalbwelle wird verwendet, um den Steller wieder freizugeben. Der Stromfluß beginnt wieder mit dem Anstieg der nächsten positiven Sinushalbwelle. Insgesamt ist jeder einzelne Steller bei der Ausführung des Richtimpulses der Reihe nach für nur 10 ms abgeschaltet.

Diese kleine Zeit ist für den gesamten Produktionsprozeß ohne jede Bedeutung.

Claims (1)

1. Verfahren zur Netzstoßlastoptimierung von getakteten Stromstellern, die im Parallelverbund arbeiten,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß das Verfahren die Möglichkeit aufweist, daß bei einem hinreichenden Bekanntheitsgrad der Betriebsdaten von Stromstellern, die sich in einem Parallelverbund befinden, alleine durch Anwendung von Statistik eine zeitliche Staffelung der Stromflußzeiten aller Stromsteller auffindbar ist, die zu einer optimalen gleichmäßigen Stromverteilung auf dem einspeisenden elektrischen Netz führt,
   daß ein Arithmetik-Prozessor unter Berücksichtigung der eingestellten und vorgegebenen Betriebsdaten der Stromsteller, aus einer endlichen Anzahl von physikalisch möglichen und sinnvollen zeitlichen Ausrichtimpulsen, den Ausrichtimpuls auswählt, der statistisch die eindeutig bestmögliche Stromverteilung für das einspeisende elektrische Netz einstellt,
   daß der Arithmetik-Prozessor die momentane Iststromverteilung stetig mit der bestmöglichen Stromverteilung vergleicht, und für den Fall, daß die momentane Iststromverteilung qualitativ schlechter ist als die bestmögliche Stromverteilung, den Ausrichtimpuls auslöst,
   daß eine hinreichend schnelle Steuereinheit den Ausrichtimpuls mit den Stromstellern durchführt,
   daß eine Stromnulldurchgangserkennung die Durchführung des Ausrichtimpulses mit größter Präzision zeitlich koordiniert,
   daß der gefahrene Produktionsprozeß während der Durchführung des Ausrichtimpulses in keinster Weise gestört oder beeinträchtigt wird,
   daß das genannte Verfahren einer parallelen Anordnung von Stromstellern übergeordnet ist,
   daß das genannte Verfahren unabhängig der verwendeten Fabrikate von Stromstellern uneingeschränkt anwendbar ist.