DE3738181A1 - Vorrichtung zur regelung der gleichspannung eines netzgefuehrten stromrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Gleich­ spannung eines netzgeführten Stromrichters, insbesondere bei einem Umrichter mit eingeprägter Zwischenkreisspannung, unter Verwendung eines Phasenregelkreises.

Es ist bereits bekannt, die Stromrichterventile eines an ein dreiphasiges Wechselstromnetz angeschlossenen Stromrichters mit Ansteuersignalen anzusteuern, die unter Verwendung eines Phasen­ regelkreises auf die Phasenlage des Spannungssystems des Netzes synchronisiert sind. Dieser bekannte Phasenregelkreis geht davon aus, daß ein dreiphasiges Wechselspannungssystem durch die ortho­ gonalen Komponenten eines Vektors in einem geeigneten Koordina­ tensystem dargestellt werden kann. Dabei werden Istwerte des Wechselspannungssystems mittels eines Vektordrehers in die Kom­ ponenten des Spannungsvektors in einem rotierenden Koordinaten­ system transformiert. Die Transformationselemente dieser Vektor­ transformation werden dadurch gewonnen, daß die mittlere Winkel­ abweichung des transformierten Vektors von einer im rotierenden Koordinatensystem fest vorgegebenen Richtung einem Winkelregler zugeführt wird. Dessen Ausgangssignal bestimmt die Frequenz des rotierenden Koordinatensystems und steuert die Frequenz von Oszillatoren, deren Ausgangssignale einerseits die als Transfor­ mationselemente benötigten Winkelfunktionen des Transformations­ winkels, andererseits aber auch die Phasenlage der auf die Netz­ wechselspannung synchronisierten Referenzspannungen liefert.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der selbstge­ führte Netzstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters gemäß Fig. 1. Dabei wird die Zwischenkreisspannung u _D aus einer die Stromrichterventile T 1, T 2, . . . T 6 (z. B. Transistoren) um­ fassenden Brückenschaltung aus den Phasenanschlüssen R, S, T des Versorgungsnetzes 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 , i _T zu messen gestatten, können 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 Spannungszwischenkreisumrich­ ters die aus dem Netz entnommenen Phasenströme i _R , i _S und i _T geregelt werden. Meist soll dem Netz keine oder eine vorgegebene Blindleistung entnommen werden, so daß die Phasenlage der Ströme zu den Netzspannungen fest vorgegeben werden muß. Die Amplitude der Phasenströme dagegen ergibt sich als Funktion der zu über­ tragenden Wirk- und Blindleistung.

Es ist also erforderlich, die Ansteuersignale für die Strom­ richterventile auf die Netzspannung zu synchronisieren.

Dies kann durch das erwähnte, bekannte Vektorfilter geschehen, das jedoch einen hohen Aufwand an Bauteilen und Kosten erfor­ dert. Außerdem tritt bei Netzschwankungen aufgrund der endlichen Dynamik des Winkelregelkreises ein Fehlwinkel zwischen den Sy­ stemen der Phasenspannungen und der Referenzspannungen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den stabilen Be­ trieb 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 eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand von vier Ausfühungsbeispielen und weiteren Figuren ist die Erfindung näher gekennzeichnet. Es zeigt

Fig. 1 den bereits geschilderten Aufbau eines selbstgeführten Netzstromrichters,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei Funktions­ speichern und Digital/Analog-Umwandlern zur Bildung von drei analogen Wechselstrom-Sollwerten,

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit zwei Funktionsspeichern, zwei Digital/Analog-Umwandlern zur Bildung zweier Wechselstrom-Sollwerte und einem Rechen­ glied zur Berechnung des dritten Wechselstrom-Sollwer­ tes,

Fig. 4 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3,

Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der aus der Soll/Istwert-Differenz der Wechselströme Refe­ renzsignale gebildet werden, die von entsprechenden Zweipunktreglern vernachlässigbarer Hysteresebreite und einer hochfrequenten Taktspannung pulsbreitenmoduliert werden.

Im allgemeinen ist man bestrebt, das Netz symmetrisch zu bela­ sten, d. h. den Phasen R, S, T am wechselspannungsseitigen An­ schluß des Stromrichters sollen Ströme entnommen werden, die einem symmetrischen System von Stromsollwerten i _R* , i _S* , i _T* entsprechen. Der Betrieb des Netzstromrichters nach Fig. 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die algebraische Summe der Strom­ istwerte, die als "Nullkomponente" i _o = (i _R + i _S + i _T )/3 bezeichnet wird, gleich Null ist. Das wird auch bei der Bildung der ent­ sprechenden Wechselstrom-Sollwerte berücksichtigt.

Das System der symmetrischen Wechselstrom-Sollwerte kann daher durch einen Amplituden-Sollwert i* und einen Phasenwinkel be­ schrieben werden, aus denen die drei Wechselstrom-Sollwerte als um 120° gegeneinander phasenverschobene, auf den Winkel α syn­ chronisierte Signale mit einer gemeinsamen, zu i* proportionalen Amplitude hervorgehen. Reine Wirkleistung liegt vor, wenn der über den Wechselspannungsanschluß R fließende Strom i _R in Phase mit der Spannungsdifferenz u _R zwischen diesem Anschluß R und dem theoretischen Neutralpunkt M _P des Netzspannungssystems liegt. Diese Phasenleiter/Sternpunktspannung u _R ist im angestrebten, symmetrischen Fall um 150° phasenverschoben gegenüber der ver­ ketteten Spannung u _RS zwischen den Phasenanschlüssen R und S. Der die Phasenlage des Sollwertsystems bestimmende Winkel α kann daher aus Frequenz und Phasenlage des Meßwertes einer ver­ ketteten Spannung, z. B. dem Spannungs-Meßwert u _RS des Wechsel­ spannungs-Meßgliedes URS gebildet werden, während die Amplitude i* an einem Gleichspannungsregler CU abgegriffen wird, dem ein Sollwert u _D* für die Gleichspannung des Umrichters und ein am Spannungsmeßglied UD gemessener Istwert der Gleichspannung zu­ geführt ist.

In Fig. 2 ist vorgesehen, mittels eines Phasendetektors DET jeweils den Nulldurchgang oder einen anderen, ausgezeichneten Phasenwinkel der Spannung u _RS zu erfassen, um damit in einem Phasenregelkreis ("phase locked loop") eine auf die erfaßte Phasenlage synchronisierte, binäre Impulsfolge zu erzeugen, deren Impulse in einem Ringzähler CT gezählt werden. Dieser Zäh­ ler wirkt als Inkrementalzähler, dessen Ausgangssignal einen Digitalwert für den Winkel α darstellt, der sich innerhalb des Zählzyklus jeweils um 360° ändert. Während z. B. das Aus­ gangssignal des Phasen-Detektors DET jeweils beim Nulldurchgang der Spannung u _RS eine positive Flanke aufweist, nimmt das höchst­ wertige Bit des digitalen Winkels α immer dann den Null-Zu­ stand ein, wenn der digitale Winkel nach 360° wieder auf seinem Startwert zurückkehrt. Für den Phasenregelkreis ist daher ein den Zähler CT speisender Impulsgenerator vorgesehen, dessen Im­ pulsfolge-Frequenz so lange verändert wird, bis die zum Phasen­ winkel Null oder einer anderen, ausgezeichneten Phasenlage der Spannung u _RS gehörende Flanke im Ausgangssignal des Detektors DET und die entsprechende Flanke des höchstwertigen Bits am Ausgang des Zählers CT oder ein anderes, geeignetes Rückführungs­ signal FB zeitlich zusammenfällt.

Mittels des Zählerstandes werden mehrere Funktionsspeicher ange­ steuert, die digitale, gegeneinander äquidistant phasenverscho­ bene Winkelfunktionswerte ausgeben. Im Beispiel der Fig. 2 be­ steht die Speichereinrichtung aus drei Festwertspeichern PROM und geben die Winkelfunktionen sin α, sin(α + 2π/3) und sin(α + 4π/3) aus.

Eine Umsetzerstufe erzeugt aus diesen äquidistant phasenver­ schobenen Winkelfunktionen und dem Ausgangssignal i* des Gleich­ spannungsreglers CU ein System von gegeneinander äquidistant phasenverschobenen Wechselstrom-Sollwerten. Im Beispiel der Fig. 2 enthält die Umsetzerstufe drei multiplizierende Digital/ Analog-Umsetzer, wobei jeder Umsetzer mit dem digitalen Winkel­ funktionswert aus einem PROM und dem analogen Amplitudensollwert i* gespeist wird. Die Ausgangssignale dieser Umsetzer sind dann direkt die analogen Wechselstrom-Sollwerte i _R* , i _S* , i _T* , die somit gegeneinander äquidistant phasenverschoben sind und ein nullkomponentenfreies, symmetrisches System darstellen.

Einer Strom-Regelvergleich-Stufe ist das analoge Istwertsystem der Wechselströme und das System der analogen Wechselstrom-Soll­ werte zugeführt. Diese Strom-Regelvergleich-Stufe bildet für jede Phase R, S, T des wechselstromseitigen Stromrichteran­ schlusses je ein analoges Referenzsignal di _R , di _S , di _T und jedes dieser Referenzsignale ist einem Zweipunktregler zugeführt, der die Ansteuerimpulse für die an die entsprechende Phase des wechselstromseitigen Stromrichters angeschlossenen Stromrich­ terventile bildet. Der von di _R angesteuerte Zweipunktregler CIR bildet somit die Ansteuersignale für die Ventile T 1 und T 2, während die Zweipunktregler CIS und CIT die Ventile T 3, T 4 bzw. T 5 und T 6 ansteuern.

Im Beispiel der Fig. 2, bei dem die Umsetzerstufe die drei Wechselstrom-Sollwerte i _R* , i _S* , i _T* liefert, werden als analo­ ges Istwert-System die an den Meßgliedern IR, IS und IT abge­ griffenen Istwerte i _R , i _S und i _T zugeführt, die durch entspre­ chende Subtraktionsglieder in die Referenzsignale di _R , di _S , di _T umgesetzt werden. Die Zweipunktregler weisen dabei eine vorge­ gebene, endliche Hysteresebreite auf. Dadurch wird z. B. zwischen den Ventilen T 1 und T 2 stets dann umgeschaltet, wenn der Strom­ istwert i _R sich vom zugehörigen Sollwert i _R* um mehr als diese Hysteresebreite unterscheidet. Dadurch entsteht eine Zweipunkt­ regelung des Stromes iR, der sich somit praktisch stets inner­ halb eines vorgegebenen Toleranzbandes um den Sollwert bewegt.

Um Oberfrequenzen in der Spannung u _RS , die eine Erfassung der Phasenlage stören könnten, zu vermeiden, kann vorteilhaft dem Detektor DET ein Filter FT vorgeschaltet werden. Der Frequenz­ gang eines derartigen Filtergliedes bewirkt allerdings eine Phasenverschiebung zwischen seinem Eingangssignal und seinem Ausgangssignal. Diese Phasenverschiebung ist bei annähernd gleichbleibender Netzfrequenz nahezu konstant und kann da­ durch berücksichtigt werden, daß das digitale Winkelsignal am Ausgang des Zählers CT in einem digitalen Additionsglied ADD entsprechend korrigiert wird. Prinzipiell kann diese kon­ stante Korrektur des Winkelsignals auch in einer entsprechenden Bewertung bei der Adressierung der Speicher PROM berücksichtigt werden, Fig. 2 sieht jedoch ein derartiges digitales Additions­ glied ADD auch für den Fall vor, daß der Stromrichter auch als Blindlast für das Netz verwendet werden soll und daher die nullkomponentenfreien Stromsollwerte gegenüber der Netzspannung von einem entsprechenden, vorgebbaren Phasenwinkel w* verschoben werden sollen.

Fig. 3 zeigt eine etwas andere Ausführung der Speichereinrich­ tung, der multiplizierenden Umsetzerstufe und der Strom-Regel­ vergleichsstufe. Dabei wird ausgenutzt, daß wegen des Fehlens der Nullkomponente aus zwei Wechselstrom-Sollwerten der dritte Sollwert nach der Beziehung
i _T* = - (i _R* + i _S* )
in einem Rechenglied CAL am Ausgang der Umsetzerstufe berechnet werden kann. Die Umsetzerstufe selbst benötigt demnach nur zwei Digital/Analog-Umsetzer zur Bildung der Sollwerte
i _R* = i* · sinα und i _S* = i* · sin(α + 2π/3),
so daß auch in der Speichereinrichtung nur zwei Funktionsspeicher benötigt werden.

Prinzipiell muß die Phasenverschiebung zwischen den Ausgangs­ signalen der Funktionsspeicher nicht 120° betragen. Zum Beispiel kann auch eine Phasenverschiebung um 90° vorgesehen sein, was ge­ mäß Fig. 4 durch die Programmspeicher PROM "sin" und PROM "cos" dargestellt ist. Die dadurch gebildeten Winkelfunktionswerte stellen somit die orthogonalen Komponenten eines betrags­ normierten Vektors in einem ruhenden Koordinatensystem dar, aus dem durch Multiplikation mit i* die Komponenten eines Strom- Sollvektors gebildet werden. Ein derartiger Vektor wird häufig zur vollständigen Beschreibung eines nullkomponentenfreien Drei­ phasensystems verwendet, wobei die einzelnen Phasenströme (hier also die drei Sollwerte i _R* , i _S* , i _T* ) sich als Projektionen des Vektors auf drei gegeneinander räumlich um 120° gedrehte Achsen ergeben und häufig mittels eines sogenannten "²/₃-Koordinaten­ wandlers" berechnet werden.

Zur exakten Einprägung der durch den Strom-Sollvektor gegebenen Wechselstrom-Sollwerte kann es vorteilhaft sein, anstelle einer Zweipunktregelung mit endlicher Toleranzbandbreite eine konti­ nuierlichere Regelung des Stromes zu erzeugen. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, bei der die Ansteuersignale für die Stromrichter­ ventile an Zweipunktreglern mit vernachlässigbarer Hysterese ab­ gegriffen sind, denen jeweils die Differenz zwischen einem Refe­ renzsignal und einer Tastspannung, deren Frequenz größer ist als die Maximalfrequenz des Wehselstromsystems, zugeführt ist. Zur Bildung der Referenzsignale enthält die Strom-Regelvergleich- Stufe für jeden in der Umsetzerstufe gebildeten Wechselstrom- Sollwert einen Stromregler, dem die Differenz zwischen dem Wechselstrom-Sollwert und einem entsprechenden Istwert des analogen Istwert-Systems zugeführt wird.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Speichereinrichtung ähnlich der Fig. 3 oder der Fig. 4 aufgebaut ist und somit nur zwei Funktionsspeicher enthält, so daß auch die Umsetzerstufe nur zwei multiplizierende Digital/Analog-Umsetzer zu enthalten braucht. Die an diesen Umsetzern gebildeten Strom-Sollwertsigna­ le i _R* , i _T* (Fig. 5) werden dann in der Strom-Regelvergleich­ stufe mit den entsprechenden Istwerten i _R und i _T verglichen, so daß für die Stromregelung nur zwei Stromregler CIR′ und CIT′ benötigt werden. Die Ausgangssignale dieser Stromregler stellen Spannungssollwerte u _R* und U _T* dar, die mittels der hochfre­ quenten Tastspannung uref und der praktisch hysteresefreien Zweipunktregler CIR′′ und CIT′′ pulsbreitenmoduliert werden.

Auch hier gilt, daß durch die beiden Referenzsignale u _R* und u _T* bereits ein nullpunktfreies Dreiphasensystem vollständig beschrieben wird, wobei sich das der dritten Phase zugeordnete Referenzsignal u _S* in einem Rechenglied CAL gemäß der Beziehung
u _S* = - (u _R* + u _T*)
berechnen läßt. Ebenso kann natürlich anstelle der nach Fig. 3 aufgebauten Speichereinrichtung auch eine nach Fig. 4 aufgebaute Speichereinrichtung verwendet werden, wobei dann das Rechenglied CAL durch einen entsprechenden ²/₃-Koordinatenwandler zu erset­ zen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt mit sehr wenigen und ein­ fachen, standardisierten Bauteilen aus. Zwar ergeben sich bei dynamischen Vorgängen vorübergehende Winkelabweichungen zwischen dem System der Phasenspannungen und den Stromsollwerten, die je­ doch nur bei größeren Netzfrequenzschwankungen ins Gewicht fal­ len. Die Vorrichtung ist besonders für autarke Systeme geeig­ net, die nicht in eine größere, digitalisierte Regeleinrichtung integriert sind und daher ohne Unterstützung eines leistungs­ fähigen Prozessors auskommen müssen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Regelung der Gleichspannung eines an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz angeschlossenen, selbstgeführ­ ten Stromrichters, insbesondere bei einem Umrichter mit einge­ prägter Zwischenkreisspannung, gekennzeichnet durch

• a) ein Gleichspannungsmeßglied (UD) am gleichspannungsseitigen Stromrichteranschluß,
• b) einen Phasendetektor (DET) zur Erfassung der Phasenlage einer Spannung (u _RS ) am wechselspannungsseitigen Stromrich­ teranschluß,
• c) Wechselstrommeßglieder zur Erfassung eines analogen Istwert­ systems (i _R , i _S , i _T ) der Wechselströme am wechselstromseiti­ gen Stromrichteranschluß,
• d) einen Gleichspannungsregler (CU), an dessen Ausgang ein ana­ loger Sollwert (i*) für die Amplitude des Wechselstromsystems abgegriffen ist,
• e) einen an den Phasendetektor angeschlossenen Phasenregelkreis (PLL, CT) zur Erzeugung einer auf die erfaßte Phasenlage synchronisierten binären Impulsfolge, mit einem Ringzähler für die Impulse der Impulsfolge,
• f) eine Speichereinrichtung mit mehreren von dem Ringzähler ad­ ressierten Funktionsspeichern (PROM) zur Erzeugung von digi­ talen, gegeneinander phasenverschobenen Winkelfunktionswer­ ten,
• g) einer an die Speichereinrichtung und den Gleichspannungsreg­ ler angeschlossenen, multiplizierenden Digital/Analog-Umset­ zerstufe zur Erzeugung eines Systems von gegeneinander pha­ senverschobenen Wechselstrom-Sollwerten (i _R* , i _S* , i _T* ) glei­ cher Amplitude,
• h) einer Strom-Regelvergleich-Stufe, der das analoge Istwert- System der Wechselströme (i _R , i _S , i _T ) und das System der analogen Wechselstrom-Sollwerte (i _R* , i _S* , i _T* ) zugeführt ist und die für jede Phase des wechselstromseitigen Anschlusses je ein analoges Referenzsignal bildet, und
• i) für jedes Referenzsignal (di _R , di _S , di _T ) einen Zweipunktreg­ ler (CIR, CIS, CIT), der die Ansteuerimpulse für die an die entsprechende Phase des wechselstromseitigen Anschlusses an­ geschlossenen Stromrichterventile bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umsetzerstufe drei analoge Wechsel­ strom-Sollwerte und die Wechselstrom-Meßglieder drei analoge Istwerte bilden, daß die Zweipunktregler eine vorgegebene, end­ liche Hysteresebreite aufweisen und daß den Zweipunktreglern als Referenzsignale die Differenzen aus je einem Wechselstrom- Sollwert und einem Istwert zugeführt sind (Fig. 2, 3, 4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Speichereinrichtung nur zwei Funk­ tionsspeicher und die Umsetzerstufe zwei multiplizierende Digital/Analog-Umsetzer enthalten zur Bildung zweier Stromsoll­ wert-Signale und daß am Ausgang der Umsetzerstufe ein Rechen­ glied (CAL bzw. "²/₃") vorgesehen ist, das die beiden Stromsoll­ wertsignale in drei nullsystemfreie Wechselstrom-Sollwerte um­ rechnet (Fig. 3, 4).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Differenzen aus einem Istwert des ana­ logen Istwert-Systems und dem zugehörigen Wechselstrom-Sollwert gebildet werden, daß die Strom-Regelvergleich-Stufe für jede Differenz einen Stromregler (CIR′, CIT′) enthält zur Bildung der Referenzsignale, und daß die Zweipunktregler (CIR′′, CIS′′, CIT′′) von der Differenz zwischen den Referenzsignalen und einer Tast­ spannung (uref), deren Frequenz größer ist als die Maximalfre­ quenz des Wechselstromsystems, gespeist sind und eine vernach­ lässigbar kleine Hysteresebreite aufweisen (Fig. 5).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Speichereinrichtung nur zwei Funk­ tionsspeicher und die Umsetzerstufe nur zwei multiplizierende Digital/Analog-Umsetzer enthält zur Bildung zweier je einem der Stromregler zugeführten Stromsollwert-Signale, daß die Wechsel­ strommeßglieder zwei den Stromsollwert-Signalen entsprechende, den Stromreglern zugeführte Wechselstrom-Istwerte bilden, und daß ein Rechenglied (CAL) vorgesehen ist, daß aus den Ausgangs­ signalen der Stromregler drei nullsystemfreie Referenzsignale bildet (Fig. 5).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Phasendetektor ein Glättungsglied (FT) vorgeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Adresseneingang der Speichereinrichtung ein digitales Additionsglied (ADD) zur Addition eines vorgegebenen Winkels (w*) vorgeschaltet ist.