DE3027725A1

DE3027725A1 - Regelschaltung fuer einen stromrichter

Info

Publication number: DE3027725A1
Application number: DE3027725A
Authority: DE
Inventors: Allen Kent Coleman
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-07-23
Filing date: 1980-07-22
Publication date: 1981-02-19
Also published as: IL60493A; GB2056129B; CA1152562A; FR2462052A1; JPS5619384A; JPS6353565B2; NL8003819A; US4251735A; DE3027725C2; GB2056129A; FR2462052B1; IL60493A0; BE884319A

Description

Regelschaltung für einen Stromrichter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelschaltung für eine elektrochemische Zelle, die mit einem Stromversorgungsnetz verbunden ist- Insbesondere betrifft sie eine Regelschaltung, die eine erste Rückkopplungsschleife mit einer großen Zeitkonstante zum Bilden eines Wirkleistungsfehlersignals und eines Blindleistungsfehlersignals zum Einstellen des Leistungsflusses zwischen der elektrochemischen Zelle und dem Stromversorgungsnetz sowie eine zweite Rückkopplungsschleife mit einer kleinen Zeitkonstante aufweist, die die Größe und die Phase der Spannungsschwingung auf der Wechselstromseiteeines mit der elektrochemischen Zelle und mit dem Stromversorgungsnetz verbundenen Stromrichters regelt.

Energieerzeugungs- und Energiespeichervorrichtungen sind für Elektrizitätswerke von besonderem Interesse, die ausgedehnte Stromversorgungsnetze betreiben, welche große Mengen an elek-

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trischer Wechselstromenergie über ein komplexes Übertragungsnetzwerk liefern. Viele verschiedene Typen von Vorrichtungen· sind zur Erzeugung von elektrischer Energie bekannt. Ein solcher Typ ist die elektrochemische Zelle, die Gleichstrom auf elektrochemischem Wege erzeugt. Bevor die elektrische Energie aus einer solchen Gleichstromvorrichtung in ein Stromversorgungsnetz eingespeist werden kann, muß sie in elektrische Wechselstromenergie umgeformt werden. Ein Stromrichter, genauer gesagt ein Wechselrichter, ist eine Vorrichtung, die eine solche Energieumformung vornehmen kann, und ein· typischer Stromrichter enthält eine Anzahl von hochbelastbaren Festkörperschaltern, wie Thyristoren, die durch eine Steumschaltung periodisch zwischen dem leitenden und dem nichtleitenden Zustand umgeschaltet werden. Durch diesen Vorgang wiederum werden abwechselnd das positive und das negative Eingangssignal aus der elektrochemischen Zelle durch den Stromrichter geleitet, was zur Folge hat, daß elektrische Wechselstromenergie· dem Stromversorgungsnetz des Elektrizitätswerkes dargeboten wird.

Ein besonderes Problem, das sich bei der Verwendung von elektrochemischen Zellen des Batterietyps als Gleichstromquelle stellt, besteht darin, daß bei der Erzeugung von großen Mengen von elektrischer Energie auf langfristiger Basis viele Batterien die aktiven chemischen Komponenten, aus denen die Zelle besteht, verbrauchen. Infolgedessen nimmt das Stromerzeugung svermögen von solchen elektrochemischen Zellen schnell ab, wenn keine Regenerierung von einer äußeren Quelle aus erfolgt.

Ein bekannter Typ einer elektrochemischen -Zelle ist die Brennstoffzelle, die elektrische Gleichstromenergie direkt aus der Oxidation eines Brennstoffes aus einer äußeren Quelle erzeugt und deshalb in der Lage ist, elektrische Wechselstrom-

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— Q mm

energie ständig zu liefern. Selbstverständlich muß auf dieselbe Weise wie bei der Batteristypzelle die elektrische Gleichstromenergie für die Verwendung durch die öffentliche Stromversorgung in elektrische Wechselstromenergie umgeformt werden. Außer als elektrische Energiequelle sind gewisse Typen von elektrochemischen Zellen auch zur Verwendung als Energiespeichervorrichtung geeignet, wobei diese Möglichkeit hauptsächlich vorhanden ist, wenn die elektrochemische Zelle regenerierend ist. Die regenerierenden Zellen haben nämlich die Fähigkeit, die aktiven chemischen Elemente, die entweder intern gespeichert sind oder aus einer externen Quelle stammen, in elektrische Gleichstromenergie umzuwandeln; außerdem haben sie die Fähigkeit, die Gleichstromenergie zu benutzen, um aktive chemische Brennstoffe für den späteren Gebrauch zu bilden. Diese bidirektionale Fähigkeit gestattet, die elektrochemische Zelle während Spitzenstromverbrauchsperioden als Stromquelle zu benutzen, während sie während Perioden niedrigeren Stromverbrauches, wenn überschüssige elektrische Energie verfügbar ist, die überschüssige elektrische Energie in aktive chemische Elemente umwandelt, die für den späteren Gebrauch gespeichert werden.

Von Interesse ist die US-PS 3 991 319, die eine Reservestromversorgungseinheit beschreibt, welche einen Wechselrichter enthält und eine Gleichstromversorgung benutzt. Eine Synchronisierschaltungsanordnung ist vorgesehen, um die Phasen- und Amplitudenanpassung des Wechselrichterausgangssignals an das Wechselstromnetz sicherzustellen, wenn die Reservestromversorgungseinheit benutzt wird. Die Synchronisierschaltung enthält einen Phasendetektor, der ein Rückkopplungssignal aus dem Wechselrichter empfängt und außerdem die Netzwechselspannung abfühlt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors wird über einen Phasenrückkopplungsschalter an einen spannungsgeregelten Oszillator angelegt,

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um die Frequenz und die Phase des Ausgangssignals zu verändern. Eine Beschränkung dieses besonderen Systems besteht darin, daß es nicht zum Regeln der Richtung und der Größe sowohl der Wirkleistung als auch der Blindleistung zwischen der Quelle und der Last geeignet ist.

Von Interesse ist außerdem eine gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung der Anmelderin/ für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 059 725, vom 23. Juli 1979 in Anspruch genommen worden ist. Gegenstand dieser weiteren Patentanmeldung ist ein Verfahren zum Regeln der Größe und der Richtung des Leistungsflusses über einen Stromrichter, der selbst zwischen eine elektrochemische Zelle und ein Stromversorgungsnetz geschaltet ist.

Hauptziel der Erfindung ist es, eine Regelschaltung für einen zwangskommutierten Stromrichter zu schaffen, der mit einer regenerativen Stromquelle verbunden ist, wobei deren Kombination elektrische Energie an ein Stromversorgungsnetz abgeben oder aus diesem empfangen kann.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist eine Regeltechnik zum Einstellen der Wirkleistungskomponente und der Blindleistungskomponente von zwischen einer'regenerativen Stromquelle und einem Stromversorgungsnetz fließender elektrischer Energie durch die Verwendung eines Stromrichters, der eine Regelschaltung mit einer ersten Rückkopplungsschleife hat, die eine relativ große Zeitkonstante (slow time constant) hat, so daß der Istleistungsfaktor zwischen der regenerativen Quelle und dem Stromversorgungsnetz durch transiente Vorgänge im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Die Regelschaltung für den Stromrichter enthält jedoch außerdem eine zweite Rückkopplungsschleife, die eine kleine Zeitkonstante (fast time constant) hat, um die Effektivgröße und die Phase der Span-

nungsschwingung aus dem Stromrichter durch Verändern der genauen Zündpunkte der Festkörperschaltelemente in dem Stromrichter zur Kompensation der augenblicklichen oder eine kurze Dauer aufweisenden Spannungsstöße, die in dem Stromversorgungsnetz periodisch auftreten können, schnell einzustellen.

Gemäß der Erfindung enthält eine Stromrichterregelschaltung eine erste Rückkopplungsschleife mit einer großen Zeitkonstante zum Empfangen einer einstellbaren Eingangsführungsgröße, die sowohl den Sollblindleistungswert als auch den Sollwirkleistungswert des elektrischen Energieflusses zwischen einer elektrochemischen Zelle und einem Stromversorgungsnetz angibt. Diese Führungsgrößen werden in der ersten Rückkopplungsschleife, die eine große Zeitkonstante hat, mit Signalen verknüpft, die zu der abgefühlten Wirkleistung und zu der abgefühlten Blindleistung proportional sind, um ein Blindleistungsfehlersignal sowie ein Wirkleistungsfehlersignal zu bilden. Das Blindleistungsfehlersignal wird an einen Spannungsregler abgegeben, der in einer zweiten Rückkopplungsschleife angeordnet ist, die eine kleine Zeitkonstante hat, zum Verändern der Regelsignale, die an den Stromrichter angelegt werden, um die Effektivgröße der an das Stromversorgungsnetz abgegebenen Spannungsschwingung zu ändern. In gleicher Weise wird das Wirkleistungsfehlersignal an die zweite Rückkopplungsschleife mit der kleinen Zeitkonstante abgegeben, allerdings an einen Phasenregler zum Einstellen des Regelsignals, das an den Stromrichter abgegeben wird, zum Verändern der Phase der Spannungsschwingung aus dem Stromrichter relativ zu dem Stromversorgungsnetz.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß es einen Stromrichter mit einem Regelsystem enthält, welches die Größe und die Phase des Stromversorgungsnetzes genau verfolgt, selbst wenn es keinen Energiefluß zwischen einer

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elektrochemischen Zelle und einem Stromversorgungsnetz gibt, so daß die elektrochemische Zelle selbst bei voller Leistung eingeschaltet werden kann, ohne daß nachteilige transiente Vorgänge entweder in der elektrochemischen Zelle oder in dem Stromversorgungsnetz erzeugt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Wirkleistungskomponente und die Blindleistungskomponente des Energieflusses nach Bedarf in dem gesamten Betriebsbereich der elektrochemischen Zelle schnell zu ändern. Diese Möglichkeit ist, zum Teil, auf die Verwendung von zwei gesonderten Rückkopplungsschleifen zurückzuführen, von denen eine eine große Zeitkonstante und eine eine kleine Zeitkonstante hat, die den Spannungswert sowohl der elektrochemi- . sehen Zelle als auch des Stromversorgungsnetzes, die Größe und die Richtung der Wirkleistung und der Blindleistung sowie die Phase der Spannungsschwingung auf dem Stromversorgungsnetz abfühlen, um mit Hilfe eines analytischen Modells die Stromrichterspannungsschwingung zu konstruieren, wie sie sein sollte. Diese wird dann mit der Istspannungsschwingung in dem Stromversorgungsnetz verglichen und jedwede Fehler zwischen ihnen werden in Fehlersignalen ausgedrückt. Die Fehlersignale werden ihrerseits benutzt, um die Zündwinkel der Festkörperschalter in dem Stromrichter einzustellen und entweder die Effektivgröße oder die Effektivphase oder, beide der Spannungsschwingung aus dem Stromrichter nach Bedarf zu verändern, um sie zu veranlassen, der des Stromversorgungsnetzes zu folgen. Selbstverständlich wird jede unerwartete Abweichung der Spannungsschwingung auf dem Stromversorgungsnetz,, wie sie durch transiente Vorgänge verursacht werden könnte, durch das Modell abgefühlt, und das Stromrichterre-. gelsignal wird verstellt, um die Phase und die Größe der Stromrichterausgangsschwingung zu verändern, damit solche transientenVorgänge in dem Stromversorgungsnetz kompensiert werden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Regelschaltung nach der Erfindung für einen zwischen eine elektrochemische Zelle und ein Stromversorgungsnetz geschalteten Stromrichter,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des

Spannungsreglers, der in der schnellen Rückkopplungsschleife von Fig. 1 angeordnet ist,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Ansprechcharakteristik

der Multiplizierschaltung von Fig. 2 zeigt,

Fig. 4 ein Diagramm, das eine typische Schwingung

aus dem Stromrichter zeigt,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform

des in Fig. 1 gezeigten Phasenreglers, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des

in Fig. 1 gezeigten Schaltschwingungsgenerators.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung zur Implementierung der Schaltung nach der Erfindung. Eine elektrochemische Zelle 10, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Batterie oder eine andere vergleichbare Gleichstromvorrichtung, ist über eine Leitung 12 mit einem zwangskommutierten Stromrichter 14 verbunden, wobei die Leitung 12 normalerweise eine negative Sammelschiene und eine positive Sammelschiene enthält. Es sei angemerkt, daß zwar sowohl zwangskommutierte Stromrichter als auch rietzkommutierte Stromrich-

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ter bekannt sind, daß die Erfindung jedoch hauptsächlich für einen zwangskommutierten Stromrichter gilt, weil seine Festkorperschaltelemente zur Abschaltung nicht von der Phasenbeziehung der Spannungs-Stromschwingungen auf dem Stromversorgungsnetz 20 abhängig sind. Der Stromrichter 14 enthält typischerweise wenigstens ein oder mehrere Paare von Schaltelementen, und durch abwechselndes Betätigen dieser Schaltelemente werden die negative und die positive Eingangssamme!schiene auf der Gleichstromseite über den Stromrichter mit der Wechselstromseite verbunden, wobei ein Wechselstromsignal gebildet wird, das ein Grundsignal zusammen mit zahlreichen Harmonischen enthält. Die Wechselstromseite des Stromrichters 14 ist über eine Leitung 16 mit einer Parallelschaltungsimpedanz 18 verbunden, die ein Filter enthalten kann, das so ausgewählt ist, daß es Signale mit der Frequenz, mit der das Stromversorgungsnetz arbeitet, normalerweise 60 Hz, durchläßt und Signale außerhalb dieser Frequenz unterdrückt. Die Parallelschaltungsimpedanz 18 kann außerdem irgendeinen Leistung stransformator und eine Drossel zur Unterdrückung von Harmonischen zum Konditionieren der endgültigen Wechselstromschwingung, die dem Stromversorgungsnetz 20 dargeboten wird, enthalten. Die andere Seite des Filters 18 ist über eine Leitung 20 mit einem Stromversorgungsnetz 22 verbunden.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Stromversorgungsnetz 22 typischerweise wenigstens eine Quelle 24 elektrischer Wechselstromenergie, eine übertragungsimpedanz 26, die die Impedanz der übertragungsleitung und auch die Impedanz der Quelle beinhalten wird, und eine oder mehrere Lasten 28, in denen elektrische Energie verbraucht wird. Der übliche Fall ist jedoch viel komplexer als die einfache Darstellung, da es meistens eine Anzahl von Stromquellen zusammen mit einer riesigen Anzahl gesonderter Belastungen gibt, die unterschiedliche Mengen an elektrischer Energie zu unterschiedlichen Zeiten aufnehmen und alle durch Übertragungsleitungen miteinander ver-

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bunden sind. In jedem Fall ist hier der schlimmste Fall für die Zwecke der Erfindung dargestellt worden, in welchem sich die Last in unmittelbarer Nähe des Stromrichters 14 befindet.

Bekanntlich gibt es viele Stellen oder gesonderte Punkte in einem Stromversorgungsnetz, in welchen es erwünscht ist, Wirkleistung zu regeln, zuzuführen oder zu speichern oder einfach den örtlichen Leistungsfaktor einzustellen. Die Schaltung nach der Erfindung gewährt einen extrem hohen Grad an Flexibilität bei der Regelung dieser wichtigen Parameter. Demgemäß kann die elektrochemische Zelle 10 als Energiequelle während Perioden benutzt werden, in denen das Stromversorgungsnetz 22 stark belastet ist oder viel elektrische Energie liefern muß, während, wenn ein Überschuß an Energie in dem Stromversorgungsnetz 22 verfügbar ist, die Richtung des Energieflusses umgekehrt werden kann, so daß Energie in der elektrochemischen Zelle 10 gespeichert werden kann. Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft, daß es möglich ist, die Blindleistung der Last leicht zu regeln, um die Leistungsfaktoreinstellung an einem beliebigen Ort in dem Stromversorgungsnetz 22 zu unterstützen.

Die erfindungsgemäße unabhängige Einstellung sowohl der Größe als auch der Richtung der elektrischen Energie und des relativen Leistungsfaktors derselben wird nun in Verbindung mit einer Ausführungsform einer Regelschaltung für den Stromrichter 14 beschrieben, der zwischen die elektrochemische Zelle 10 und einen Punkt des Stromversorgungsnetzes 22 geschaltet ist.

Ein Leistungsdetektor 30 ist in der Leitung 20 angeordnet, um die Größe und die Richtung sowohl des Wirkleistungsflusses als auch des Blindleistungsflusses zwischen der elektrochemischen Zelle 10 und dem Stromversorgungsnetz 22 abzufüh-

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len. Im Betrieb liefert der Leistungsdetektor 30 ein Ausgangssignal auf der Leitung 32, das zu der Größe und der Richtung der in der Leitung 20 fließenden Blindleistung proportional
ist. In gleicher Weise liefert der Leistungsdetektor 30 auf
einer Leitung 34 ein Ausgangssignal, das zu der Größe und zu der Richtung der in der Leitung 20 fließenden Wirkleistung
proportional ist. Ein Spannungsdetektor 36 ist ebenfalls mit der Leitung 20 verbunden und liefert ein Signal auf einer
Leitung 38, das zu der Größe der Spannungsschwingung auf der Leitung 20 proportional ist, bei der es sich sowohl um die
Grundkomponente der Spannungsschwingung aus dem Stromrichter als auch um die auf dem Stromversorgungsnetz vorhandene Spannungsschwingung handelt.

Die Regelschaltung nach der Erfindung enthält eine erste
Rückkopplungsschleife 40, die eine große Zeitkonstante oder
relativ lange Ansprechzeit hat, und eine zweite Rückkopplungsschleife 42, die eine kleine Zeitkonstante oder relativ kurze Ansprechzeit hat. Die erste Rückkopplungsschleife 40 enthält zum Bilden einer einstellbaren Blindleistungsführungsgröße
ein Potentiometer 44, dessen eine Klemme 46 mit einer Quelle positiven Bezugspotentials verbunden ist, während die andere Klemme 48 mit einer Quelle negativen Bezugspotentials verbunden ist. Die Steuerklemme 50 gibt einen gewünschten Spannungswert, der in einem geeigneten Bereich eingestellt werden kann, über eine Leitung 52 an einen Eingang eines ersten Vergleichers 54 ab. Der andere Eingang des ersten Vergleichers 54 ist mit der Leitung 32 verbunden, um das Signal zu empfangen, das zu der Größe und zu der Richtung der in der Leitung 20 fließenden Blindleistung proportional ist. Der erste Vergleicher 54 verknüpft die Blindleistungsführungsgröße auf
der Leitung 52 differentiell mit dem Signal aus dem Detektor 30, das die Istgröße und die Richtung der Blindleistung angibt, und gibt ein Blindleistungsfehlersignal an seinem Aus-

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gang über eine Leitung 55 an einen Integrator 100 ab. Der Integrator 100 integriert effektiv den Fehler über einer Zeitspanne von ungefähr 1,5 bis 2 Zyklen der Spannungsgrundschwingung und gibt das integrierte Blindleistungsfehlersignal aus der zweiten Regelschleife über eine Leitung 56 an einen Spannungsregler 58 ab.

Der Spannungsregler 58 ist mit der Leitung 38 und dem Spannungsfühler 36 verbunden, um ein Signal zu empfangen, das zu der Größe der Wechselspannung auf der Leitung 20 proportional ist. Außerdem ist er mit der Leitung 12 verbunden, um den Wert der Gleichspannung aus der elektrochemischen Zelle 10 abzufühlen. Der Spannungsregler 58 bildet durch Vergleich der Größen des Ausgangssignals der elektrochemischen Zelle 10 auf einer Leitung 60 und des Signals auf der Leitung 20 ein Differenzsignal und verknüpft es mit dem Blindleistungsfehlersignal, welches er auf der Leitung 56 empfängt, um ein Regelsignal an seinem Ausgang auf einer Leitung 62 zu bilden, das an einen Schaltschwingungsgenerator 64 abgegeben wird. Das Signal auf der Leitung 62 bewirkt, daß der Sehaltschwingungsgenerator 64 die Zündpunkte der Halbleiterschalter in dem Stromrichter 14 so einstellt, daß die Effektivspannung der Grundsignalschwingung aus dem Stromrichter im Verhältnis zu dem Signal auf der Leitung 62 vergrößert oder verringert wird.

Gemäß Fig. 1 wird in der ersten Rückkopplungsschleife 40 außerdem eine einstellbare Wirkleistungsführungsgröße gebildet, und zwar einfach durch ein Potentiometer 70, dessen eine Klemme 72 mit einer Quelle positiven Bezugspotentials verbunden ist, während die andere Klemme 74 mit einer Quelle negativen Bezugspotentials verbunden ist. Die 'Steuerklemme 76 gibt einen Spannungswert, der in einem geeigneten Bereich verändert werden kann, über eine Leitung 78 an einen Eingang eines zweiten Vergleichers 80 ab. Der andere Eingang des Ver-

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gleichers 80 ist mit der Leitung 34 verbunden, um ein Signal zu empfangen, das zu der Größe und zu der Richtung der in der Leitung 20 fließenden Wirkleistung proportional ist. Der zweite Vergleicher 80 erzeugt ein Wirkleistungsfehlersignal an seinem Ausgang auf einer Leitung 81 durch differen.tielles Verknüpfen der Wirkleistungsführungsgröße mit dem abgefühlten Signal auf der Leitung 34 und gibt dieses Fehlersignal über eine Leitung 81 an einen A/D-Integrator 83 ab. Der A/D-Integrator 83 integriert das Fehlersignal über einer Zeitspanne von ungefähr 1,5 bis 2 Zyklen der Spannungsgrundschwingung und gibt das integrierte Wirkleistungsfehlersignal über eine Leitung 82 an einen Phasenregler 84 ab. Der Phasenregler 84 ist außerdem über eine Leitung 86 mit der Leitung 20 verbunden, um die Phase des Wechselstromsignals auf der Leitung 20 abzufühlen, und er bildet damit ein Phasenverschiebungsschwingungssignal im Verhältnis zu dem Eingangssignal auf der Leitung 82 an seinem Ausgang auf einer Leitung 88. Der Schaltschwingungsgenerator 64 ist mit der Leitung 88 verbunden und verknüpft dieses Phasenverschiebungsschwingungssignal mit dem Spannungsregelsignal, das er auf der Leitung 62 empfängt, um ein Regelsignal an seinem Ausgang auf einer Leitung 90 zu bilden, das an den Stromrichter 14 abgegeben wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Spannungsreglers 58, der in der zweiten Rückkopplungsschleife 42 angeordnet ist und ein Ausgangssignal an den Schaltschwingungsgenerator 64 abgibt, welches zu der Solleffektivgröße der Spannungsschwingung aus dem Stromrichter 14 in Beziehung steht. Das Blindleistungsfehlersignal wird, wie oben erwähnt, durch den Spannungsregler auf der Leitung 56 aus der ersten Rückkopplungsschleife 40 empfangen, und dieses Signal ist zu der Blind- ' Ieistungsänderung proportional, die, wenn überhaupt, in der Grundkomponente der Spannungsschwingung aus dem Stromrichter auftreten soll. Das integrierte Blindleistüngsfehlersignal

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wird zuerst über eine Leitung 56 an einen Eingang eines Vergleichers 104 abgegeben. Ein zweiter Eingang des Vergleichers 104 empfängt ein Signal aus dem mit der Leitung 38 verbundenen Spannungsfühler 36, das zu der Größe des Spannungswertes des Stromversorgungsnetzes proportional ist. Ein dritter Eingang des Vergleichers empfängt ein Rückkopplungssignal über eine Leitung 106/ das mit den Signalen an den anderen beiden Eingängen differentiell verknüpft wird. Das Ausgangssignal des Vergleichers 104 wird über eine Leitung 108 an den Eingang einer integrierenden A/D-Einheit 110 abgegeben, die eine kleine Zeitkonstante hat und bei der es sich um eine 8-Bit-Schaltung handeln kann, die das Fehlersignal über ungefähr einem halben Zyklus der Spannungsgrundschwingung quantisiert oder eine Zeitkonstante von etwa 3 με hat. Das digitale Fehlersignal wird dann über eine Leitung 112, bei der es sich um einen Datenbus mit acht Leitern handeln kann, an einen Eingang des Schaltschwingungsgenerators 64 abgegeben. Der Spannungsregler enthält außerdem einen Rückkopplungsabschnitt. Dieser geschlossene Regelkreis ist relativ schnell, so daß der Eingangsfehler, wenn überhaupt vorhanden, voll in einer Spannungsänderung ausgedrückt werden kann, die in etwa der Hälfte eines Zyklus der Grundschwingung des Stromversorgungsnetzes 22 zu dem Steuerschwingungsgenerator 64 geleitet wird. Demgemäß umfaßt die Rückkopplungsschleife eine Leitung 116, beider es sich ebenfalls um einen Datenbus mit acht Leitern handelt und die mit der Leitung 112 verbunden ist, um das integrierte digitale 8-Bit-Fehlersignal zu dem Eingang einer 8-Bit-D/A-Einheit 118 rückzukoppeln, welche die Digitalinformation wieder in einen Analogwert zurück verwandelt, der über eine Leitung einem Eingang einer Multiplizierschaltung 122 zugeführt wird. Der andere Eingang der Multiplizierschaltung 122 ist mit einer Leitung 87 verbunden, um ein Signal zu empfangen, das zu dem Gleichspannungswert aus der elektrochemischen Zelle 10

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und dem Steuerschwingungsgenerator 64 proportional ist.

Der Zweck der Multiplizierschaltung 122 in Verbindung mit einer im folgenden beschriebenen Suchtabelleneinheit in dem Schaltschwingungsgenerator 64 ist es, die auf der Leitung 16 dargebotene Stromrichterquellenspannung linear zu. modellieren. Diese Beziehung wird am besten verständlich/ wenn neben Fig. 2 zusätzlich auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen wird. Fig. 4a zeigt eine Schwingung, deren Zeitperiode gleich der des Wechselstromsignals des Stromversorgungsnetzes 22 ist, welches im wesentlichen die Zeitperiode t_Q-t_ ist. Fig. 4b zeigt eine der zahlreichen Schaltschwingungen, die benutzt werden könnten, um die Schalter in dem Stromrichter 14 zwischen dem leitenden und dem nichtleitenden Zustand umzuschalten, damit eine Ausgangsschwingung gebildet wird, die die gewünschte Grundkomponente hat, welche mit der des Stromversorgungsnetzes 22 kompatibel ist, wobei solche Schaltschwingungsmuster und deren Ausbildung bekannt sind. Es sei außerdem angemerkt, daß in den meisten Fällen die Anzahl der Umschaltungen pro Zyklus, t_o~t_, aller Wahrscheinlichkeit nach größer als in der Darstellung in Fig. 4b sein wird. Der Einfachheit und der Klarheit halber ist für die Erläuterung der Regelschaltung nach der Erfindung ein äußerst einfaches Schaltmuster, das mit nur einer Stromrichterbrücke benutzt werden könnte, dargestellt worden. In einer Technik, die als "Endeinkerbung" (end notching) bezeichnet wird, wird die Einkerbungsbreite an den Enden jedes Halbzyklus (d.h. t_Q-t₁, t₂-t_, t₃-t., usw.) verändert, die ihrerseits eine Änderung in der effektiven Größe der. Grundkomponente aus dem Stromrichter verursacht. Dieser Zustand ist in Fig. 3 gezeigt, die im wesentlichen den Effektivwert V₁ der Spannungsschwingung aus dem Stromrichter über der Breite der Einkerbung in Grad zeigt, z.B. t_Q-t... Die Kurve 126 zeigt unkorrigierte Zustände, da die effektive Span-

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nung aus dem Stromrichter abnimmt, wenn die Breite der Kerbe zunimmt, aber in nichtlinearer Weise. Ein Merkmal der Erfindung ist es, daß der Steuerschwingungsgenerator 64 die Rückkopplung linearisiert, so daß das an den dritten Eingang der Verknüpfungsschaltung 104 über eine Leitung 106 abgegebene Signal als Kurve 128 in Fig. 3 anspricht. Das hilft sicherzustellen, daß in dem. Regelsystem im Betrieb keine Schwingungen oder unerwarteten transienten Zustände auftreten.

Ein besonderes Merkmal der Regelschaltung nach der Erfindung besteht, wie oben kurz erwähnt, darin, daß sie ein in der ersten Rückkopplungsschleife mit großer Zeitkonstante erzeugtes Wirkleistungsfehlersignal benutzt, das an einen Phasenregler abgegeben wird, der in einer zweiten Rückkopplungsschleife mit- einer kleinen Zeitkonstante angeordnet ist, die ihrerseits die Phase der Spannungsgrundschwingung aus dem Stromrichter verändert. Eine Ausführungsform des Phasenreglers 84, der die Phasenverschiebung erzeugt, die zu dem Wirkleistungsfehlersignal proportional ist, wird nun beschrieben. Gemäß Fig. 5 empfängt der Phasenregler 84 die sinusförmige Spannungsschwingung auf der Leitung 20 über eine Leitung 86, wobei diese Schwingung an einen Nulldurchgangsdetektor 130 angelegt wird. Der Nulldurchgangsdetektor 130 fühlt die einzelnen Nulldurchgangspunkte der monotonen Schwingung der Spannung auf der Leitung 20 ab und gibt ein diese wiedergebendes Digitalsignal über eine Leitung 132 an. einen Eingang eines Phasenvergleichers 134 ab, der in einer Phasenregelschleife angeordnet ist. Der Phasenvergleicher verknüpft das Rückkopplungssignal auf einer Leitung 136 mit dem dem Stromversorgungsnetz entsprechenden auf der Leitung 132 und gibt das Ausgangssignal über eine Leitung 138 an ein Filter 140 ab, welches die Impulse effektiv integriert, um ein Gleichstromfehlersignal an seinem Ausgang über die Leitung 142 abzugeben. Ein spannungsgesteuefter Oszillator 144 emp-

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fängt dieses Signal und gibt ein Ausgangssignal über eine Leitung 146 an einen Phasenschieber 148 ab, der eine Frequenz f_ hat, die ausreichend hoch gewählt ist, um das gewünschte Ausmaß an Phasenauflösung zum Steuern der Hauptschaltelemente des Stromrichters zu erreichen. Wenn beispielsweise das Stromversorgungsnetz mit 60 Hz arbeitet und es erwünscht ist, daß die Phasenregelschleife auf Veränderungen bis zu (1/8)°el. anspricht, dann ist die Frequenz f_o für den spannungsgesteuerten Oszillator 144 gleich 172,8 kHz. Der Phasenschieber 148 verschiebt die Ausgangsschwingung auf der Leitung 88 in einer Voreil- oder einer Nacheilrichtung im Vergleich zu der Eingangsphase des Signals auf der Leitung 86 in einem Ausmaß, das dem auf der Leitung 82 empfangenen Wirkleistungsfehlersignal entspricht. Eine vollständigere Erläuterung der Arbeitsweise einer Phasenregelschaltung zum Erzeugen einer Phasenverschiebung in einem Eingangskreis zusammen mit einer ausführlichen Ausführungsform eines Phasenschiebers, der anstelle des Phasenschiebers 148 benutzt werden könnte, findet sich in noch einer weiteren Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 973 301, vom 26. Dez. 1978 in Anspruch genommen worden ist.

Der Schaltschwingungsgenerator 64 spricht, wie oben erwähnt, auf den Spannungsregler 58 an, um ein Schaltschwingungsmuster für die Stromrichterhauptschaltelemente, bei denen es sich normalerweise um Thyristoren oder andere Festkörperschalter mit hoher Strombelastbarkeit handelt, so zu erzeugen, daß . die Ausgangsspannungsschwingung eine gewisse Effektivgrundspannung hat. Außerdem ist das besondere Muster im Verhältnis zu dem durch den Phasenregler 84 an den Spannungsregler 58 abgegebenen Signal phasenverschoben. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Schaltschwingungsgenerators 64, die nun beschrieben wird. Das Signal, das auf der Leitung 62

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aus dem Spannungsregler 58 empfangen wird, beispielsweise über einen digitalen Datenbus mit acht Leitungen, wird an den Eingang einer Suchtabelle 154 angelegt. In der Suchtabelle 154 ist in digitalem Format die vorbestimmte Breite jeder Einkerbung in der Schaltmusterschwingung gespeichert, bei der die Thyristoren jeder Brücke umgeschaltet werden sollten, um eine Ausgangsspannungsschwingung zu erzeugen, die die besondere Effektivspannungsgröße hat. Wenn demgemäß aufgezeichnete Information durch die 8-Bit-Wörter adressiert wird, wird ein Ausgangssignal über eine Verriegelungsschaltung 157, die je Halbzyklus der Grundfrequenz entleert wird, an einen digitalen Vergleicher 158 abgegeben. Typischerweise wird es einen digitalen Vergleicher 158 für jeden Pol in dem Stromrichter 14 geben, der Einfachheit halber ist aber nur ein digitaler Vergleicher in der Ausführungsform von Fig. 6 dargestellt worden. Das Phasenregelsignal, das an den Schaltschwingungsgenerator 64 über die Leitung 88 abgegeben wird, wird als Steuersignal für einen Ringzähler 160 benutzt, dessen Ausgangssignal eine Reihe von phasenverschobenen Digitalsignalen ist, die in Beziehung zu der Grundschwingung stehen und über eine Leitung 162 an den digitalen Vergleicher 158 angelegt werden. Der digitale Vergleicher nimmt demgemäß eine digitale Verknüpfung des Signals aus der Suchtabelle 154, das die Einkerbungsbreite der Endeinkerbungen angibt, mit der Folge von phasenverschobenen Impulsen auf der Leitung 162 vor und liefert eine Schaltschwingung für die Verwendung durch den Pol oder die Pole des Stromrichters. Schließlich werden gemäß diesem Schaltschwingungsmuster die einzelnen Schaltelemente in dem Stromrichter zwischen dem leitenden und dem nichtleitenden Zustand umgeschaltet.

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Claims

Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche :

^r1. J Regelschaltung für einen Stromrichter, der für den Fluß

5n elektrischer Energie zwischen einer elektrochemischen Zelle und einem Stromversorgungsnetz zwischen diese geschaltet werden kann, gekennzeichnet durch:

eine erste Rückkopplungsschleife (40), die eine relativ große Zeitkonstante hat, zum Empfangen einer einstellbaren Leistungsführungsgröße, die einen elektrischen Sollenergiefluß für das Stromversorgungsnetz (22) angibt, und zum Empfangen von abgefühlten Signalen, die den elektrischen Istenergiefluß für das Stromversorgungsnetz angeben, und zum Abgeben eines entsprechenden Leistungsfehlersignals;

eine zweite Rückkopplungsschleife (42) mit einer kleinen Zeitkonstante zum Empfangen des Leistungsfehlersignals, zum Abfühlen der Phase der Signalschwingung auf dem Stromversorgungsnetz, zum Abgeben eines Ausgangssignals zum Verändern der Amplitude des Grundsignals, das an das Stromversorgungsnetz abgegeben wird, und außerdem zum Verändern der Phase

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des an das Stromversorgungsnetz abgegebenen Grundsignals; und

einen Schaltschwingungsgenerator (64) , der mit der zweiten Rückkopplungsschleife (42) verbunden ist, zum Abgeben einer Schaltschwingung an den Stromrichter (14) mit einem Muster, das gemäß dem Leistungsfehlersignal eingestellt ist, wodurch der Leistungsfluß zwischen dem Stromversorgungsnetz und der elektrochemischen Zelle (10) verändert wird.
2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Führungsgröße wenigstens zwei Komponenten enthält, eine Blindleistungsführungsgröße und eine Wirkleistungsführungsgröße, von denen jede unabhängig von der anderen einstellbar ist.
3. Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rückkopplungsschleife (40) einen ersten Vergleicher (54) enthält zum Empfangen der Blindleistungsführungsgröße, die eine Sollgröße und die Richtung des Blindleistungsflüsses der elektrischen Energie angibt, und zum Verknüpfen des vorgenannten Signals mit einem Signal, welches die Istgröße und die Richtung des Blindleistungsflusses zu dem Stromversorgungsnetz (22) angibt, um ein Blindleistungsfehlersignal an die zweite Rückkopplungsschleife (42) abzugeben, welches die Differenz zwischen der Blindleistungsführungsgröße und der zu dem Leistungsnetz fließenden Istblindleistung angibt, und daß die erste Rückkopplungsschleife (40) außerdem einen zweiten Vergleicher (80) enthält zum Empfangen der Wirkleistungsfuhrungsgröße, die einen Sollwert des Wirkleistungsflusses angibt, und außerdem zum Empfangen eines Signals, welches den elektrischen Istwirkleistungsfluß angibt, und zum Abgeben eines Ausgangssignals, das die Differenz zwischen dem Sollwirkleistungswert und dem

Istwirkleistungswert angibt.
4. Regelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rückkopplungsschleife (40) eine erste Integrierschaltung enthält, die mit dem Ausgang des ersten Vergleichers (54) verbunden ist, zum Integrieren des Blindleistungsfehlersignals über einer relativ langen Zeitspanne, und daß die erste Rückkopplungsschleife außerdem einen zweiten Integrator (83) enthält, der mit dem Ausgang der zweiten Verknüpfungsschaltung (80) verbunden ist, zum Integrieren des Wirkleistungsfehlersignals über einer relativ langen Zeitspanne.
5. Regelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rückkopplungsschleife (42) einen Spannungsregler (58) enthält zum Empfangen des Blindleistungsfehlersignals und zum Abgeben eines Ausgangssignals an den Schaltschwingungsgenerator (64) zum Ändern der effektiven Größe der Grundspannung aus dem Stromrichter (14).
6. Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rückkopplungsschleife (42) einen Phasenregler (84) enthält zum Empfangen des Wirkleistungsfehlersignals aus der ersten Rückkopplungsschleife und außerdem zum Empfangen eines zu der Grundschwingung des Stromversorgungsnetzes (22) proportionalen Signals und zum Abgeben eines Phasenverschiebungssignals an den Schaltschwingungsgenerator (64), in welchem das äbgefühlte Signal in einem Ausmaß, phasenverschoben worden ist, das zu dem aus der ersten Rückkopplungsschleife (40) empfangenen Wirkleistungsfehlersignal proportional ist.
7. Regelschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (58) eine Vergleicherschaltung (104) enthält, mit einem ersten Eingang zum Empfangen des Blindlei-

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stungsfehlersignals aus der ersten Rückkopplungsschleife (40), mit einem zweiten Eingang zum Empfangen eines Signals, das zu der effektiven Amplitude der Spannungsschwingung des Stromversorgungsnetzes (22) proportional ist, und mit einem dritten Eingang zum Empfangen, eines Rückkopplungssignals, und daß der Vergleicher ein Ausgangssignal an eine integrierende A/D-Schaltung (110) abgibt, die das vorgenannte Signal über ungefähr dem halben Zyklus der Grundschwingung des Stromversorgungsnetzes integriert, und daß der Spannungsregler Schaltungen (118, 122) zum Rückkoppeln einer skalier-ten Version des Signals aus der Integrierschaltung (110) zu dem dritten Ausgang des Vergleichers aufweist.
8. Regelschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenregler (84) enthält:

einen Detektor (130) zum Bilden eines Signals, das dem Nulldurchgang der Spannungsschwingung des Stromversorgungsnetzes (22) entspricht,

einen phasenvergleicher (134), der auf das Signal aus dem Detektor und außerdem auf ein Rückkopplungssignal anspricht und ein Fehlersignal abgibt, das zu -jedweder Phasendifferenz zwischen dem Nulldurchgangssignal und dem Rückkopplungssignal proportional ist,

einen spannungsgesteuerten Oszillator (144), der mit dem Ausgang des Phasenvergleichers verbunden ist und ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz zu der Größe des Phasenfehlersignals proportional ist, und

einen Phasenschieber (148), der in der Rückkopplungsschleife zwischen dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators und dem Phasenvergleicher angeordnet ist, zum Phasenverschieben des Rückkopplungssignals auf das aus der ersten Rückkopplungsschleife (40) empfangene Wirkleistungsfehlersignal hin.

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9. Regelschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltschwingungsgenerator (64) enthält:

eine Suchtabelle (154), in der die Einkerbungsbreiteninformation der Endeinkerbungen über der effektiven Amplitude des Schaltschwingungsmusters gespeichert ist, einen Ringzähler (160) zum Abgeben einer Reihe von Impulszügen, die in Beziehung zu der Frequenz der Grundschwingung aus dem Stromrichter (14) stehen, und einen digitalen Vergleicher (158) zum Empfangen einer Reihe von Impulszügen aus dem Ringzähler und zum Phasenverschieben der Reihe von Impulszügen gemäß dem aus der Suchtabelle empfangenen Signal.

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