DE3738180C2

DE3738180C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten Netzstromrichters

Info

Publication number: DE3738180C2
Application number: DE19873738180
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Schwesig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1987-11-10
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2007-11-11
Also published as: DE3738180A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Zwi schenkreis-Gleichspannung als Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Strom richters. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung hier zu.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der US-PS 4 328 454 bekannt.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der selbstge führte Netzstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrich ters gemäß Fig. 1. Dabei wird die Zwischenkreisspannung u_D aus einer die Stromrichterventile (z. B. Transistoren) T1, T2, . . ., T6 umfassenden Brückenschaltung aus dem Versorgungsnetz mit den Phasen R, S, T gespeist. Mit Mp ist symbolisch ein Null-Leiter gezeigt, der jedoch in der Regel nicht vorhanden ist. Während daher die Strom-Meßglieder IR, IS und IT die Phasenleiter-Ströme i_R, i_S und i_T zu messen gestatten, kann über Meßglieder URS, UST nur jeweils die verkettete Spannung u_RS und u_ST zwischen den Phasenleitern R, S, T erfaßt werden, während die zugehörigen Phasenleiter-Spannungen u_R, . . . nicht direkt erfaßbar sind.

Für den stabilen Betrieb am Netz müssen beim selbstgeführten Netzstromrichter eines derartigen Spannungszwischenkreis-Um richters die aus dem Netz entnommenen Phasenströme i_R, i_S und i_T geregelt werden. Meist soll dem Netz keine oder eine vor gegebene Blindleistung entnommen werden, so daß die Phasen lage der Ströme zu den Netzspannungen fest vorgegeben werden muß. Die Amplitude der Phasenströme dagegen ergibt sich als Funktion der zu übertragenden Wirk- und Blindleistung.

Es ist also erforderlich, die Ansteuersignale für die Strom richterventile auf die Netzspannung zu synchronisieren. Hier zu haben sich sogenannte "Vektorfilter" bewährt, die aus den verketteten Spannungen die Komponenten eines den Phasenlei ter-Spannungen zugeordneten Vektors berechnen, mittels eines Vektordrehers in ein zunächst asynchron rotierendes Koordina tensystem transformieren und einem Regler zuführen, der eine transformierte Vektorkomponente auf einen einem vorgegebenen Differenzwinkel entsprechenden Sollwert regelt. Das Ausgangs signal dieses Reglers liefert die Steuerspannung für einen Vektoroszillator, an dessen Ausgang zwei Winkelfunktionen ab gegriffen werden, die die Achsen des rotierenden Koordinaten systems festlegen und auf den Vektordreher rückgeführt wer den. Diese Winkelfunktionen beschreiben ein nullkomponenten frei es Drehsystem, das mit der Frequenz des Netzes im ausge regelten Zustand phasenstarr umläuft (DE-OS 33 47 549).

Ein derartiges Vektorfilter bedingt einen hohen Aufwand an Bauteilen und Kosten. Außerdem tritt bei Netzschwankungen aufgrund der endlichen Dynamik des Winkelreglerkreises ein Fehlwinkel zwischen Phasenspannung und dem nullkomponenten freien Drehsystem auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den stabilen Betrieb am Netz auf möglichst einfache und kostengünstige Weise die Stromrichterventile derart anzusteuern, daß die Phasenströme synchron (d. h. mit einer Phasenverschiebung Null oder einer anderen vorgegebenen Phasenverschiebung) zu der Spannung des Netzes sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkma len des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2. Eine hierzu geeig nete Vorrichtung besitzt die Merkmale des Anspruchs 4.

Anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen, die in drei weiteren Figuren dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.

Für die verketteten Spannungen u_RS, u_ST und u_TR des Netzes gilt, daß ihre Nullkomponente (d. h. die Summe der drei Span nungen) den Wert Null besitzt. Auch der selbstgeführte Netz stromrichter der Fig. 1 vermag nur ein nullkomponentenfreies Stromsystem zu übertragen. Reine Wirkstrom-Übertragung liegt dabei dann vor, wenn die Phasenleiter-Ströme i_R, I_S, i_T je weils streng in Phase zu den Spannungen u_S-u₀, u_S-u₀ und u_T-u₀ liegen, wobei u₀ die Nullkomponente der Phasenspannung ist. Dieses nullkomponentenfreie System der Phasenlei terspannungen kann aber aus den verketteten Phasenspannungen durch eine Rechenstufe gemäß den Beziehungen

u_R-u₀ = (u_TR-u_RS)/3 = -(2u_RS + u_ST)/3
u_S-u₀ = (u_RS-u_ST)/3
u_T-u₀ = (u_ST-u_TR)/3 = (u_RS + 2u_ST)/3

berechnet werden. Bei diesen Spannungen handelt es sich um vektorielle Größen.

Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, eine auf die in den Stromrichter fließenden Phasenströme wirkende Stromrege lung mit einem nullsystemfreien System von Stromsollwerten zu verwenden. Die Phasenlage dieses Sollwert-Systems wird unter Berücksichtigung des gewünschten Leistungsfaktor-Winkels ϕ direkt durch das nullkomponentenfreie Phasenleiter-Spannungs system gegeben. Dazu erfolgt ein regelnder Eingriff über die Differenz von Soll-Ausgangsgleichspannung u_D* und Ausgangs gleichspannung u_D, um den jeweiligen Betragssollwert für die Phasenströme zu bilden. Daher kann das Ausgangssignal eines Gleichspannungsreglers mit einer der nullkomponentenfreien Phasenleiter-Spannungen multipliziert werden und liefert den Sollwert für den zugehörigen Phasenleiter-Strom. Es genügt dabei jedoch, von nur zwei der Phasenleiter-Spannungen aus zugehen, da der dritte Phasenleiter-Stromsollwert sich wegen der Nullkomponentenfreiheit aus (i_R* + i_S* + i_T* = 0) ergibt. Um die Ansteuersignale der Stromrichterventile auf möglichst ein fache Weise zu erhalten, wird für jedes der Stromrichter ventilpaare T1/T2, T3/T4 und T5/T6 ein eigener Zweipunktreg ler verwendet, dessen Ausgangssignale direkt auf die Steuer eingänge der Halbleiterschalter aufgeschaltet werden können.

Dadurch ergibt sich in einem ersten bevorzugten Ausführungs beispiel die in Fig. 2 gezeigte Anordnung, bei der eine erste Rechenstufe (Koordinatenwandler KW) aus den verketteten Span nungen die beiden Phasenleiter-Spannungen u_R und u_S bildet. Ein Gleichspannungsregler RU ermittelt aus der Soll/Ist-Dif ferenz u_D*-u_D der Ausgangsgleichspannung den Betrags sollwert |I*|, aus dem die Multiplizierer MP1, MP2 die Phasenstrom-Sollwerte i_R* und i_S* bilden. Mittels des Addie rers AD und des Inversionsgliedes IN wird auch der dritte Phasenstrom-Sollwert i_T* = -i_R*-i_S* gebildet, der zusätzlich zu i_R* und i_S* für eine Zweipunktregelung der Phasenleiter-Ströme verwendet wird. Dazu werden die entsprechenden Soll/Ist-Dif ferenzen der Phasenströme Hysterese-Reglern HR, HS und HT zugeführt, deren Ausgangssignale direkt als Ansteuerimpulse für die Transistoren des Stromrichters verwendet werden. Die Hysterese-Regler HR, HS und HT werden im folgenden auch als Zweipunktregler bezeichnet. Die unmittelbar vorgeschalteten Vergleichsstufen (ohne Bezugszeichen) werden auch als Ver gleicher bezeichnet.

Wegen der Linearität der in der ersten Rechenstufe KW und der zweiten Rechenstufe (AD, IN) verwendeten Beziehungen ist es gleichgültig, ob die Multiplikation mit |I*| mittels zweier Multiplizierer am Eingang oder Ausgang der ersten Rechenstufe oder mittels dreier Multiplizierer am Ausgang der zweiten Rechenstufe erfolgt. Ist z. B. zur Kompensation einer Blindleistung eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen den Stromsollwerten und den Phasenleiter-Spannungen um einen Zusatzwinkel ϕ* gewünscht, so können die entsprechenden Funk tionen cosϕ* und sinϕ* einem zwischen den beiden Rechenstu fen angeordneten Vektordreher VD zugeführt werden.

Anstelle der drei Hysterese-Stromregler (auch "Toleranz band-Stromregler" genannt) können auch stetige Phasenstromregler verwendet werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Während bei der Schaltung nach Fig. 2 als Phasenstromregler Zweipunktregler mit einer endlichen Hysteresebreite verwendet werden, deren Ausgangssignal direkt die Ansteuerimpulse für die Stromrichterventile liefert, werden nach Fig. 3 Zwei punktregler HR′, HS′ und HT′ mit einer vernachlässigbaren Hysteresebreite verwendet. Ihnen werden Phasenleiter-Span nungssollwerte u_R*, u_S* und u_T* zugeführt, die mit einer höherfrequenten Referenzspannung u_ref, die von einem Refe renzspannungs-Generator Uref, insbesondere einem Dreieck-Span nungsgenerator, geliefert werden. Dadurch werden die Phasenleiter-Spannungssollwerte die ungefähr einen Sinusform aufweisen, pulsbreitenmoduliert, und die breitenmodulierten Ausgangsimpulse der Zweipunktregler dienen direkt als An steuerimpulse der Stromrichterventile.

Die Sollwerte u_R* und u_S* für die Vergleicher mit dem nach geschalteten Zweipunktreglern HR′ und HS′ werden aus den beiden Phasenleiter-Spannungsmeßwerten u_R und u_S gebildet, indem den in den Sollwert-Kanälen angeordneten Multiplizie rern MP1 und MP2 der Strombetrag-Sollwert |I*| zur Bildung der Phasenleiter-Stromsollwerte i_R*, i_S* zugeführt wird und diese Sollwerte jeweils einer von den Strom-Istwerten i_R, i_S beaufschlagte Regelvergleichsstelle CPR, CPS mit je einem nachgeschalteten Phasenstrom-Regler RIR und RIS eingespeist wird. Mit AD und IN sind wieder die Additionsstelle und das Inversionsglied der zweiten Rechenstufe bezeichnet, die aus den beiden Sollwerten Steuersignale für die beiden Zwei punktregler HR′ und HS′ und aus dem Sollwert u_T* Steuer signale für den dritten Zweipunktregler HT′ liefert.

Häufig liegen die Spannungs-Istwerte u_RS, u_ST und u_D zum Zwecke einer übergeordneten Regelung und/oder Überwachung der Anordnung in digitaler Form vor. Die erste Rechenstufe (Koor dinatenwandler KW), der Ausgangsgleichspannungs-Regler RU und gegebenenfalls der Vektordreher VD können dann ohne weiteres in digitaler Form realisiert werden.

Besonders einfache Lösungen ergeben sich, wenn anstelle von Analog-Multiplizierern (z. B. MP1 und MP2 in Fig. 3) multipli zierende Digital/Analog-Umsetzer verwendet werden können, die ein analoges Signal, insbesondere ein analoges Meßsignal, an einem Eingang mit einem digitalisierten Signal am anderen Eingang zu einem Analogsignal verarbeiten können. So erfor dern die multiplizierenden Digital/Analog-Umsetzer DAUR und DAUS in Fig. 4 nur einen Gleichstrom-Regler RU mit digitali siertem Ausgangssignal. Deren analoge Ausgangssignale stellen somit analoge Strom-Sollwerte i_R*, i_R* dar, die entsprechend den Fig. 2 und 3 weiterverarbeitet werden.

Claims

1. Verfahren zur Regelung einer Zwischenkreis-Gleichspannung als Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Stromrichters, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) aus der Soll/Istwert-Differenz der Ausgangsgleichspannung (u_D*, u_D) wird ein Strom-Betragssollwert (|I*|) gebildet,
b) die Meßwerte für zwei verkettete Phasenspannungen (u_RS, u_ST) werden erfaßt und durch Umrechnung in drei nullkomponen tenfreie Phasenleiterspannungen (u_R, u_S, u_T) und Bewertung mit dem Strom-Betragssollwert (|I*|) in drei Phasenstrom-Soll werte (i_R*, i_S*, i_T*) umgerechnet, die mit entsprechenden Phasenstrom-Istwerten (i_R, i_S, i_T) verglichen werden, und
c) jedes Vergleichsergebnis wird jeweils einem Zweipunkt regler (HR, HS, HT) zugeführt, mit dessen jeweiligen Aus gangssignal die zugehörigen Stromrichterventile (T1/T2; T3/T4; T5/T6) angesteuert werden (Fig. 2).

2. Verfahren zur Regelung einer Zwischenkreis-Gleichspannung als Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Stromrichters, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) aus der Soll/Istwert-Differenz der Ausgangsgleichspannung (u_D*, u_D) wird ein Strom-Betragssollwert (|I*|) gebildet,
b) es werden Meßwerte für zwei verkettete Phasenspannungen (u_RS, u_ST) erfaßt und durch Bewertung mit dem Strom-Betrags sollwert (|I*|) in zwei Phasenstrom-Sollwerte (i_R*, i_S*) umgerechnet, die mit zwei entsprechenden Phasenstrom-Ist werten (i_R, i_S) verglichen werden,
c) aus den beiden Vergleichsergebnissen werden drei Phasen leiter-Steuerspannungen (u_R*, u_S*, u_T*) gebildet, die mittels einer höherfrequenten Referenzspannung (u_ref) pulsbreiten moduliert werden, um mit den breitenmodulierten Impulsen der Steuerspannungen die Stromrichterventile (T1/T2; T3/T4; T5/T6) anzusteuern (Fig. 3).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der beiden Phasenleiter-Meßwerte um einen vorgegebenen Winkel verschoben werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

- eine erste Rechenstufe (KW), die aus den Meßwerten der verketteten Phasenspannungen (u_RS, u_ST) zwei Phasenleiter-Spannungsmeßwerte (u_R, u_S) berechnet,
- einen ersten und einen zweiten Vergleicher mit nachgeschaltetem Zweipunktregler (HR, HS), wobei dem Ver gleicher aus den verketteten Phasenspannungen (u_RS, u_ST) abge leitete Phasenstrom-Sollwerte (i_R*, i_S*) zugeführt sind,
- eine zweite Rechenstufe (AD, IN), die aus den zwei Phasenstrom-Soll werten den dritten Phasenstrom-Sollwert (i_T*) eines null systemfreien Dreiphasen-Systems berechnet,
- einen vom dritten Sollwert (i_T*) beaufschlagten dritten Vergleicher mit nachge schaltetem Zweipunktregler (HT),
- einem vom Istwert (u_D) der Ausgangsgleichspannung und einem entsprechenden Sollwert (u_D*) beaufschlagten Gleichspannungsregler (RU),
- in den Sollwertkanälen der Vergleicher angeordneten Multiplizierern (MP1, MP2), denen das Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspan nungsreglers (RU) gemeinsam aufgeschaltet ist,
- wobei die Ansteuerimpulse der Stromrichterventile an den Ausgängen der Zweipunktregler (HR, HS, HT) abgegriffen sind,
- wobei das mittels eines der Multiplizierer (MP1) gebildeten Produkt aus dem Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspannungsreglers (RU) und dem ersten Phasenleiter-Spannungsmeßwert (u_R) sowie ein Phasenstrom-Istwert (i_R) dem ersten Vergleicher, das Produkt aus dem Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspannungsreglers (RU) und dem zweiten Phasenleiter-Spannungsmeßwert (u_S) sowie ein zweiter Phasenstrom-Istwert (i_S) dem zweiten Vergleicher und die negative Summe der beiden Produkte sowie ein dritter Phasenstrom-Istwert (i_T) dem dritten Vergleicher zugeführt sind und
- wobei den diesen drei Vergleichern nachgeschalteten Zweipunktreglern (HR, HS, HT) eine endliche Hysteresebreite vorgegeben ist (Fig. 2).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen der ersten Rechenstufe (KW) nachgeschalteten, von einem vorgegebenen Zusatzwinkel (ϕ*) angesteuerten Vek tordreher (VD).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwischen die erste (KW) und die zweite Rechenstufe (AD, IN) zwei Phasenstromregler (RIR, RIS) geschal tet sind, denen jeweils das Produkt aus dem Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspannungsreglers (RU) und einem Phasenlei ter-Spannungsmeßwert (i_R*, i_S*) sowie ein Phasenstrom-Istwert (i_R, i_S) zugeführt ist,
- ein Referenzspannungsgenerator (UREF) eine höherfrequente Tastspannung (u_ref) erzeugt,
- das Ausgangssignal des einen Phasenstromreglers (RIR) als erster Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem ersten Verglei cher, das Ausgangssignal des anderen Phasenstromreglers (RIS) als zweiter Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem zwei ten Vergleicher und die negative Summe der beiden Phasen stromregler-Ausgangssignale als dritter Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem dritten Vergleicher zugeführt sind und
- die den drei Vergleichern nachgeschalteten Zweipunktreg ler (HR′, HS′, HT′) eine vernachlässigbare Hysteresebreite aufweisen (Fig. 3).

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungsregler (RU) mit digitalem Ausgangssignal und multiplizierenden Digital/Analog-Wandlern (DAUR, DAUS) als Multiplizierer (Fig. 4).