DE19900057A1 - Verfahren und Anordnung zur Regelung von m-pulsigen Wechselrichtern und Umrichten mit Spannungs-Zwischenkreis - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Anordnungen zur Steuerung von Wechselrichtern für Netzseite und Maschinenseite und soll die bewerteten Oberschwingungen reduzieren sowie die Stabilität der Regelung erhöhen und maschinen- und netzseitig mit derselben Grundkonzeption verwendbar sein. DOLLAR A Durch gesteuerte zyklische Änderung der Abtastzeit und somit der Schaltfrequenz der Wechselrichter wird die Reduzierung der über mehrere Netzperioden gemittelten Oberschwingungen ermöglicht. DOLLAR A Die Erfassung und Auswertung der für die Regelung netzseitiger Wechselrichter erforderlichen Meßwerte für die Größen Spannung und Strom erfolgt in Form einer Mittelwertbildung, die vorzugsweise gleitend sein kann und über eine oder mehrere Spannungsperioden läuft und dadurch die Eigenschaft besitzt, daß bei Mittelung über eine Periode die ganzzahligen Oberschwingungen ausgefiltert und bei Mittelung über weitere Perioden die Zwischenharmonischen ausgefiltert werden können. Die Einführung eines P-Reglers (1) gemäß Figur 1 dient zur Erhöhung der Stabilität der gesamten Regelstrecke. Durch Variation des Steuerwinkels für die Vektordreher läßt sich die dq Regelung derart einstellen, daß Spannungszeiger berechnet werden, die eine Kompensation bestimmter Oberwellen bewirken. DOLLAR A Die Verwendung der Regelstruktur für netzseitige Wechselrichter wird gemäß Erfindung auch als Regler für maschinenseitige Wechselrichter möglich, wobei anstatt der Netzspannung eine Aufschaltung der gemessenen ...

Description

Stand der Technik sind Regelverfahren für Wechselrichter wie beschrieben in "Praxis der feldorientierten Drehstromantriebsregelungen. Expert Verlag, Ehningen bei Böblingen, 1993. ISBN 3-8169-1047-5". Bekannt ist hieraus, daß wie in Fig. 1, jedoch ohne den Regler (1) und die Mittelung (8), gezeigt, zur Regelung von Wech­ selrichtern die komplexen Netzströme in alpha-beta-Koordinaten gewandelt und mittels Vektordreher in ein synchrones d-q-Koordinatensystem transformiert werden. Dadurch werden aus den Wechselgrößen Gleichgrößen mit denen nach dem Ver­ gleich der Soll-Istwerte im nachfolgenden Stromregler (Id, Iq-Regler) die Stellgröße der Spannung ermittelt wird. Nach der Rücktransformation in Alpha-Beta-Koordina­ ten wird die Stellgröße auf die vorhandene Netzspannung aufgeschaltet und es bil­ det sich nach der Raumzeigermodulation ein komplexer Spannungszeiger. Die als bekannt beschriebenen Verfahren der Wechselrichtersteuerung mit Koordinaten­ wandler und Vektordreher sowie Ausgabe mittels Raumzeigermodulation, arbeiten mit einer konstanten sich permanent wiederholenden Abtastzeit für die Meßwert- Erfassung, für den Soll-Istwertvergleich, sowie für die Berechnung und Ausgabe der Stellgrößen. Durch diese Arbeitsweise ergeben sich erhöhte Netzrückwirkungen im Bereich der Abtastfrequenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein einheitliches Regelverfahren für Wechselrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis anzugeben, deren Regler auf Grundschwingung und Oberwellen abgestimmt werden können, und deren Regler eine höhere Stabilität besitzen, und deren Regler eine Reduzierung der durch Mit­ telwertberechnung ermittelten Oberschwingungen und damit verbundener Verbesse­ rung der Wechselrichter Wirkungsgrade ermöglichen, und die eine Verwendung der netzseitigen Regelstruktur auf der Generatorseite erlaubt und dadurch für Perma­ nentmagnet- und Synchrongeneratoren eine sichere optimale Ausnutzung auch oh­ ne Rückführung der Rotorlage ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erreicht, indem die bei bekannten Regelverfahren feste Steue­ rung der Abtastung ersetzt wird, durch ein Verfahren das eine zyklisch gesteuerte Änderung der Abtastzeit beinhaltet, und somit eine an die Abtastzeit gekoppelte va­ riable Schaltfrequenz der Wechselrichter bewirkt. Da die Bewertung der Netzrück­ wirkungen durch Mittelwertbildung der Störpegel innerhalb eines Meßintervalls von z. B. 80 ms erfolgt (entspricht 4 Perioden bei 50 Hz), ergibt sich dadurch eine Ver­ teilung der Störpegel auf unterschiedliche und wählbare Frequenzen, und verhindert die Konzentration der Netzrückwirkungen auf bestimmte Frequenzen.

Da die Höhe der Netzrückwirkungen auch direkt mit der Höhe der Schaltfrequenz der Wechselrichter gekoppelt ist, ermöglicht der Betrieb mit variabler und zyklisch gesteuerter Schaltfrequenz, daß die mittlere Wechselrichter-Schaltfrequenz gerin­ ger werden kann, und somit geringere Verluste entstehen, ohne daß nach Mittel­ wert-Bewertung für die einzelnen Frequenzen höhere Oberschwingungspegel ent­ stehen. Als erfindungsgemäße Variante kann zur weiteren Verbesserung des Wech­ selrichter-Wirkungsgrades die Abtast- und Schaltfrequenz der Wechselrichter in Abhängigkeit des Augenblickswertes der Ströme verändert werden. Die Schaltfre­ quenz wird erhöht im Bereich der Strom-Nulldurchgänge, diese sind gekennzeich­ net mit der höchsten Änderung di/dt und deshalb entstehen auch die höchsten Rückwirkungen in diesem Arbeitspunkt, und wird verkleinert im Bereich des Strom- Maximums.

Bei einer beispielhaften Ausführung für ein dreiphasiges Netz erfolgt alle 60° ein Strom-Nulldurchgang und um 30° phasenverschoben alle 60° ein Strom-Maximal­ wert. Bei einem System das eine verkoppelte Regelung der 3 Phasen beinhaltet, bedeutet dies, daß innerhalb von 30° der Grundschwingung, die Abtastzeit von ma­ ximal (Strom-Nulldurchgang) bis minimal (Strom-Maximum) verändert werden muß, was bei einem Netz mit 50 Hz einer Zeit von 1,666 ms entspricht oder z. B. bei 60 Hz 1,388 msec. Bei Verwendung am 50-Hz-Netz kann somit bei einer mittleren Abtastfre­ quenz von z. B. 3 kHz die Abtastzeit 5 mal verändert werden innerhalb 30°. Eine wei­ tere Variante besteht darin, daß innerhalb des gesamten Meßzeitraumes in dem Mittelwerte für die Oberschwingungsbewertung gebildet werden, alle 30° die Schrittweite für die Abtast-Frequenzänderung verstellt wird und somit innerhalb ei­ ner Meßperiode für die EMV-Bewertung eine weitere Verteilung auf unterschiedli­ che Frequenzen erfolgt. Bei Verwendung in Systemen die eine getrennte Ansteue­ rung der Phasen ermöglichen, kann eine Optimierung der Verlustleistung dadurch erfolgen, daß die Frequenzänderung in jeder Phase getrennt zyklisch gesteuert verläuft, indem im Bereich des Nulldurchgangs mit der höchsten Frequenz und beim Maximum mit der kleinsten Frequenz abgetastet wird.

Als Grundlage der Erfindung gemäß Fig. 2 erfolgt die Mittelung (8) der Meßgrößen mittels gleitender Mittelwertbildung für die Werte Strom und Spannung, indem über eine Periode der Netz-Grundschwingung gemittelt wird. Dies bewirkt, daß die ganz­ zahligen Oberschwingungen ausgefiltert werden, und somit direkt auf die Grund­ schwingung der Netzspannung geregelt werden kann. Der Nachteil dieses Verfah­ rens, daß eine Änderung der Grundschwingung nur zeitlich verzögert in die Rege­ lung einfließen kann, läßt sich bei vielen Anwendungen dadurch kompensieren, daß eine Vorsteuerung, die bei Generatorbetrieb z. B. vom generatorseitigen Wechsel­ richter kommen kann, die Totzeit durch die Mittelwertbildung kompensiert.

Als erfindungsgemäße Variante besteht die Möglichkeit weitere Regelkanäle für d_n und q_n einzubauen, wobei "n" z. B. die 5-fache Oberschwingung angibt die durch 5-fache Winkeländerung am Vektordreher erreicht wird, und somit die fünfte Ober­ schwingung im Netz kompensieren kann.

Als erfindungsgemäße Variante besteht die Möglichkeit, die Mittelwertbildung über mehrere Perioden auszuführen und dadurch auch Regler zur Kompensation zwi­ schenharmonischer Oberschwingungen einstellen zu können.

Um mit dem gemäß Stand der Technik beschriebenen Verfahren eine höhere Regel­ steifigkeit und einfachere Einstellbarkeit der Wechselrichterregelung zu erreichen, wird gemäß Erfindung eine Anordnung in Fig. 2 gezeigt, die einen zusätzlichen P-Regler (1) verwendet, der dem Stromregler (2) und Vektordreher (5.1) nachge­ schaltet wird. Durch diese Anordnung wird die Regelung gegenüber wechselnden Anschlußbedingungen unempfindlich. Dadurch kann auf einen speziellen Abgleich der Reglerparameter für die PI-Regler (2) verzichtet werden. Erfindungsgemäß bil­ den die beiden Stromregler (1) und (2) eine Kaskadenstruktur, wobei der dq-Regler (2) die Einflüsse der Meßwerterfassung, Glättung und Entkopplung kompensiert, und somit unabhängig von den äußeren Einflußgrößen durch das Netz oder durch die elektrische Maschine arbeitet. Dies ermöglicht eine Voreinstellung ohne genaue Kenntnisse der Netz- oder Maschinenparameter. Die Einstellung des p-Reglers er­ folgt durch Variation eines Parameters.

Eine Variation der netzseitigen Wechselrichtersteuerung gemäß Fig. 2, ermöglicht die Verwendung als maschinenseitiger Regler gemäß Fig. 3, und insbesondere zur Regelung von Permanentmagnet- oder Synchrongeneratoren, mit der Neuheit, daß kein Motormodell benötigt wird, und derartig betriebene Maschinen auch keine Rückführungs-Sensoren zur absoluten Erfassung der Rotorlage mit der daran ge­ koppelten Zuordnung des Stator-Drehfeldes benötigen.

Erfindungsgemäß wird für Synchron- oder Permanentmagnetmaschinen der netzsei­ tig vorhandene Zwischenkreisregler (10) durch einen Regler oder ein Steuersignal für das Drehmoment "Id_soll" (11) ersetzt. Als erfindungsgemäße Variante wird auf eine gemessene Winkelstellung der Rotorlage verzichtet, indem die Grundwelle der Generator-Klemmenspannung gemessen und zur Drehfeld-Synchronisierung ver­ wendet wird. Entsprechend der erforderlichen Phasenlage zwischen Strom und Spannung (für Motor oder Generatorbetrieb), sowie dem vorgegebenen Sollwert "Id_soll", werden die Spannungszeiger berechnet und es erfolgt eine Einprägung der Phasenströme. Die Drehfeld-Synchronisierung der Spannungszeiger wird er­ findungsgemäß aus den Nulldurchgängen der Grundwelle ermittelt, die nach Bear­ beitung durch ein Filter zur Verfügung steht, und somit die Synchronisierung der Wechselrichter-Spannungsausgabe zum Drehfeld der Maschine laufend anpaßt. Bei einem z. B. 3-phasigen System erfolgt die Nachführung der Drehfrequenz somit alle 60°.

Als erfindungsgemäße Variante für Fig. 3 wird zur Vereinfachung des Systems und der Reglereinstellung anstatt der Iq-Komponente (9) die Änderung des Lastwinkels durch eine vom Drehmoment-Sollwert abhängige Winkelkorrektur des eingeprägten Stromes ausgeführt, die derartig eingestellt wird, daß die gemessene Klemmen­ spannung einen maximalen Wert in jedem Arbeitspunkt erreicht und somit die Ma­ schine mit etwa cos phi = 1 optimal betrieben werden kann. Als erfindungsgemäße Variante führt die Messung des Betrages der Klemmenspannung dazu, daß zusam­ men mit den gemessenen Phasenströmen die Leistung bestimmt werden kann, was insbesondere bei Generatoren zur Begrenzung der Spitzenleistung Vorteile bietet. Vorteilhaft verwendbar sind die Varianten insbesondere für Generatorregelungen die keine zeitlich sehr schnellen Drehzahl- und Laständerungen erfahren, wie z. B. bei Windkraftgeneratoren.

Claims (11)

1. Verfahren und Anordnung zur Regelung und Steuerung von m-pulsigen Wechselrichtern und Umrichtern mit Spannungs-Zwischenkreis, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abtastzeit und somit die Schaltfrequenz der Wechselrichter ge­ zielt zyklisch verändert wird.

2. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtast- und Schaltfrequenz in Abhängigkeit der Phasenlage der Ströme verändert wird.

3. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Grundschwingung durch Mittelwertbildung (8) der Größen Spannung und Strom über eine Spannungsperiode erfolgt.

4. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwertbildung über eine Periode auch ohne Änderung der Abtastzeit verwendet wird.

5. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Regelkanäle für d- und q-Komponenten installiert werden, die sich durch unterschiedliche Winkeleinstellung der Vektordreher unterscheiden.

6. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelung über mehr als eine Periode erfolgt.

7. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (2) durch einen P-Regler (1) ergänzt wird.

8. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierung und Stromeinprägung auf Synchron- oder Permanent­ magnetgeneratoren durch Aufschaltung der Nulldurchgänge der gemessenen Ma­ schinen-Klemmenspannung erfolgt.

9. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Änderung des Lastwinkels eine vom Drehmoment ab­ hängige Winkelkorrektur des eingeprägten Stromes eingeführt wird.

10. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß ein P-Regler gemäß Anspruch 7 ergänzt wird.

11. Verfahren für Wechselrichter nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen gemessener Klemmenspannung und eingeprägtem Strom so eingestellt wird, daß die Klemmenspannung und somit die Wirkleistung ein Ma­ ximum wird.