DE4416908A1 - Wandler für ein elektrisches Energiespeichersystem - Google Patents

Description

1. Stand der Technik

Bekannte Energiespeichersysteme zur Regelung vorhandener Ladun­ gen entsprechen dem in Abb. 1 dargestellten Schema, das die folgenden Elemente enthält:

• - Gleich-/Wechselstromkonverter für das Speisen der Ladung
• - Gleichrichter und Batterieladegerät für das Wiederaufladen der Batterie
• - Mehr oder weniger komplexer Regler, der die vom Konverter erzeugte Spannung auf die Erfordernisse des Ladevorgangs abstimmt.

Derartige Anordnungen benötigen einen Konverter und einen Gleichrichter, somit Geräte, die gegensätzliche Funktionen aus­ führen: Der Konverter entnimmt der Batterie Energie und liefert Wechselstrom, und der Gleichrichter nimmt Energie aus dem Netz, um die Batterie zu laden. - Der hier angemeldete Konverter er­ möglicht eine Ausführung beider Funktionen in einem einzigen Element.

Der Aufbau (Abb. 1) herkömmlicher Ladungsregeleinrichtungen ist komplexer als der Aufbau (Abb. 2) der Einrichtungen, die mit den erfindungsgemäßen Verbesserungen ausgestattet sind.

Da Regler mit minimaler Reaktionszeit, die durch Hyperfläche gesteuert werden (ES-PS 8801539/4) in der Lage sind, einen ge­ gebenen Referenzwert mit ausgezeichneten Leistungen zu verfol­ gen, ergibt sich die Möglichkeit, als Ausgang des Reglers eine Sequenz zu erzeugen, die sich, entsprechend gefiltert, einer sinusförmigen Referenz angleicht. In diesem Fall würde ein Regler automatisch die genaue Sequenz zur Erzeugung einer Si­ nuswelle liefern, die so stark ist, daß sie über die geeignete Amplitude und Phasenverschiebung verfügt, so daß die übertra­ gene Spannung der zu jedem Zeitpunkt von der Verbrauchsregelung benötigten Spannung entspricht.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt bietet die klassische Möglichkeit der P.W.M.-Steuerung (Modulation der Pulsbreiten) eine in sich optimierte Regelung des Inhalts der ausgegebenen Welle, schafft jedoch das schwerwiegende Problem, daß zur Wiedereinspeisung des Stroms ein Filter erforderlich ist, was die vorherrschende Zeitkonstante bei der Reaktion des Systems bestimmt.

2. Beschreibung

Die Konfiguration der mit verbesserten Konvertern ausgerüsteten Energiespeichersysteme zur Ladungssteuerung, die Gegenstand dieses Patents sind (Abb. 3), ist dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Konverter vorhanden ist, der ständig parallel zum Netz arbeiten kann und die Übertragung von aktiver und dazu reaktiver Spannung steuert, wie es bisher bei den Drehstromgeneratoren zur Stromerzeugung ausgeführt wurde.

Abb. 1 ist ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Regeleinrichtung.

Abb. 2 ist ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung, die mit dem Gegenstand der Erfindung ausgestattet ist.

Abb. 3 ist ein Blockschaltbild einer Einrichtung mit dem Schaltbild des Reglers gemäß der Erfindung.

Abb. 4 ist ein Blockschaltbild einer Einrichtung mit dem Schaltbild des Reglers gemäß der Erfindung für Leitungen mit geringer Impedanz.

Abb. 5 ist ein Blockschaltbild des Speichersystems mit der Steuerregelung, die Gegenstand des Patents ist.

Abb. 6 ist eine Darstellung der Spannung in Bezug auf die Frequenz beim Einschwingen während des Startens des Zustandsüberwachers.

Abb. 7 ist eine Darstellung des Übergangsbetriebs beim Anschluß an das Netz.

Abb. 8 ist eine Darstellung des Übergangsbetriebs vom Leerzustand zur Nennspannung.

Der Wandler gemäß der Erfindung verfügt über ein System mit variabler Struktur mit adaptivem Hystereseband zwecks Funktion bei konstanter Schaltspannung, das durch Hyperfläche gesteuert wird, die die optische Verfolgung eines sinusförmigen Referenzsignals ermöglicht.

Die aktive wie auch die reaktive Spannung werden, allerdings unabhängig, durch die Stromstärke gesteuert, die der Wandler erzeugt, der sich wie eine Stromquelle verhält. Intern werden Stromgrößen im gerichteten Feld verwendet, so wie aktive und reaktive Stromstärken gesteuert werden, die proportional zu den entsprechenden Spannungen sind. Das Regel- und Erzeugungssystem hat eine variable Struktur und ein adaptives Hystereseband zwecks Funktion bei konstanter Schaltfrequenz.

Der durch Wandler, Batterie und Filter erzeugte Wechselstrom paßt sich in Form und Amplitude an das sinusförmige Referenzsignal an, das wiederum bezüglich Amplitude und Phase über die speziellen Steuersysteme (Abb. 5) gesteuert wird, wobei in zwei unabhängigen und nicht miteinander verbundenen Regel kreisen Raumvektoren im gerichteten Feld angelegt werden.

Darüber hinaus gibt es einen Strombegrenzerkreis, der den momentanen Wert des Stroms steuert, der den Konverter speist.

Die Baugruppe stellt folglich gemäß dem Dargelegten ein System zur Speisung und späteren Nutzung von elektrischer Energie und Reaktionskompensation dar, wobei eine Steuerung mit variabler Struktur, ein adaptives Hystereseband für konstante Schaltspannung und Minimalkonfiguration gegeben sind.

Das Blockschaltbild des Speichersystems, das diesem Patent beiliegt, ist in Abb. 5 wiedergegeben.

Im Wandler wird ein Regler mit durch Hyperfläche gesteuerter Hysterese eingesetzt, der durch die Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem tatsächlichen Wert des Ausgangs gesteuert wird. Über die Vergleichsglieder erhält man Signale, die direkt auf die spannungssteuernden Auslösekreise der Halbleiter wirken. Bei der gegebenen Schaltfrequenz ist eine Ausführung mit IGBTs möglich.

Die Schaltfrequenz ist offensichtlich neben anderen Faktoren von der Hysterese des Reglers abhängig, weswegen die Phase des Netzes zu jedem Zeitpunkt der Steuerung bekannt sein muß. Dies erfolgt über einen digitalen Zustandsüberwacher, der Spannung, Frequenz und Phase des Netzes fast ohne Zeitverlust mißt.

Stromgesteuerter Spannungsfilter

Erläuterung des in Abb. 3 dargestellten Systems, das durch die folgende Umwandlungsfunktion definiert ist:

Indem der Filter eine Dekade unterhalb der Schaltfrequenz abschneidet, erhält man eine Dämpfung von 40 dB, und die Umwandlungsfunktion kann wie folgt an die Schaltfrequenz angepaßt werden:

Damit ergibt sich die folgende Zustandsformel:

wobei:
i(t) der Strom ist, der Induktionsspule L durchfließt
u(t) die Spannung des Wandlers ist (±V_bat)
u_c(t) die Spannung im Kondensatorfilter ist.

Das Kommutativgesetz ergibt sich aus der Hyperfläche:

wobei das Fehlersignal e(t) für die momentane Differenz zwischen dem Referenzstrom R_I(t) und dem Ausgang i(t) steht. Der Wert der Steueramplitude (u(t)), der den idealen Gleitwert festlegt, wird als u_EQ bezeichnet, d. h. der Wert, für den dS/dt = 0, wobei die Dynamik der Hyperfläche erhalten bleibt und man schreiben kann:

In der letzten Gleichung wurde davon ausgegangen, daß bei kleinen Abweichungen im Verhältnis zur Hyperfläche - was gilt, wenn die Schaltfrequenz hoch genug ist - bei einer guten Annäherung der Zustandsvektor im realen Gleitmodus praktisch identisch mit dem idealen Gleitmodus ist.

Ausgehend von den vorherigen Gleichungen erhält man:

wobei
u_EQ(t) gleich der idealen Steueramplitude ist
u(t) die reale, durch den Wandler erzeugte Spannung ist.

Nachfolgend werden die Funktionsmerkmale für den Fall betrachtet, daß das Kommutativgesetz über eine Hysterese verfügt. Unter dieser Voraussetzung variiert die Hyperfläche S(t) zwischen ±HB, was zu den Zustandsänderungen des Steuersignals führt.

Während der Zeit t₁ beträgt die Steueramplitude u(t) = U_MAX, und folglich gilt:

Davon ausgehend, daß die Steueramplitude u(t) = u_Min, kann folgendes abgeleitet werden:

Periode und Frequenz der Schaltvorgänge ergeben sich wie folgt:

wobei die Parameter der Hyperfläche in der folgenden Form gewählt werden:

Für sinusförmiges Referenzsignal:

R_I(t) = r·sin(w·t)
⇒ u_EQ = r · L · w · cos (w · t) + u_c

Wenn man den Wert der Grenzkreisfunktion der Übertragungsfunktion bei der Einrichtung berücksichtigt, erhält man einen Ausdruck für die Schaltfrequenz, die, wie zu beobachten ist, vom gewünschten Ausgangswert (u_EQ) abhängig ist. In diesem Fall wurden die folgenden Werte angenommen: u_max = V_BAT und u_min = V_BAT:

Dadurch ergibt sich ein adaptives Hystereseband mit der folgenden Form:

Somit erhält man eine konstante Schaltfrequenz, und der Quotient zwischen Schaltfrequenz und Grundfrequenz erhält eine Bedeutung, der direkt mit dem Quotienten aus der effektiven Trägerfrequenz und der Grundfrequenz am Ausgang verbunden ist, was der Beziehung zwischen Modulationsfrequenz und Ausgangsfrequenz bei P.W.M. entspricht und normalerweise mit K bezeichnet wird.

Aus den vorherigen Gleichungen kann man ersehen, daß man einen bestimmten Wert von K wählen und daraus folgernd eine Funktion aufstellen kann, wobei bei gleitendem Modus und adaptiver Hysterese eine konstante Schaltfrequenz vorliegt, die der entspricht, die man durch P.W.M. erhält.

Zusammenfassend kann der theoretische Wert unter praktischen Gesichtspunkten als asymptotischer Maximalwert angenommen werden.

Praktische Ausführung der Regelung

Die Ausführung dieser Regelungstheorie erfolgte mit analogen Vergleichsgliedern und fällt Entscheidungen digital, wie aus dem Schaltbild in Abb. 5 zu ersehen ist.

Mit Bezug auf den Schaltkreis übergibt ein Zustandsüberwacher, der mit der Technologie des gerichteten Felds ausgeführt wurde, Werte der Netzparameter an einen Regler, der die Höchst- und Mindestwerte der Referenzströme berechnet (Wert ± Band). Die Vergleichsglieder teilen einem Auslöseschaltkreis mit, wann der gemessene Strom innerhalb der zulässigen Grenzwerte liegt. Anhand dieser Werte, die synchron erfaßt werden, wird bei jeder Periode der Zustand der Pole bestimmt. Ein geeigneter Treiber übernimmt die Aktivierung der Halbleiter. Auf diese Weise werden für die Regelung keine fest vorgegebenen Sequenzen benötigt, sondern die Struktur des Schaltkreises (Zustand der Pole) wird in Abhängigkeit von den Beobachtungen des Netzes, den Ladungsmaßen und den vom Benutzer festgestellten Referenzwerten bestimmt, so daß ein paralleler Anschluß möglich ist.

Das stationäre Verhalten des Systems kann mit Hilfe von Simulationen ausgewertet werden, die in den Abb. 6 und 8 gezeigt sind und für ein Dreiphasensystem mit 30 kVA bei einer Schaltfrequenz von w_c = 54·W_s ausgeführt wurden. Zu beobachten ist die Stabilisierung des Zustandsüberwachers (Spannung und Frequenz) und die Verfolgung von Referenzwerten und Spannungen mit einem Anstieg von 20 ms Dauer. Auch in Bezug auf das Verhalten im Übergangsbetrieb kann man mit der in Abb. 7 dargestellten Simulation arbeiten, in der der Zeitpunkt dargestellt ist, zu dem die Einrichtung an das Netz angeschlossen wird.

Aus dem Gesagten ergibt sich die mögliche Nutzung des Gesamtsystems als Energiespeicherelement und als Verbrauchsausgleichselement, denn aufgrund seiner Fähigkeit, die Ladung von Batterien zu steuern, sofern diese entsprechend ausgelegt sind, kann man Netzenergie erhalten und sie für spätere Nutzung speichern. Die großen Batteriesysteme ermöglichen es, ein sehr nützliches Element zu erhalten, sowohl für die Versorgungsgesellschaften als auch für halbautonome Erzeugeranlagen. Dies gilt für solarbetriebene Quellen, Arrays , windkraftbetriebene oder andere Quellen, die darüber hinaus zusätzlich die Möglichkeit bieten, aufgrund des parallelen Betriebs zum Netz zu Spitzenzeiten überschüssig produzierten Strom in das Netz einzuspeisen.

Natürlich könnten in diesen vorgeschlagenen Fällen die jeweiligen für die optimale Nutzung der Erzeugungsbedingungen erforderlichen Steuerelemente integriert werden, wie beispielsweise Spitzenspannungsnachlauf zwecks Maximierung der Ausgangsspannung der Solarplatten usw.

Da im Ausgangsfilter des Systems ein Kondensatornetz enthalten ist, ist ein Einsatz zwecks Kompensation der reaktiven Energie der Ladung möglich. Das Wandlersystem kann eingesetzt werden, um die momentanen Spannungswerte anzupassen, um etwa Einheitsspannungen zu erhalten.

Claims (3)

1. Verbesserung der Wandler von Speichersystemen durch Verbesserung der Steuer-Regelsysteme, was eine minimale Struktur aufgrund der umkehrbaren Funktion als Wechselrichter oder Gleichrichter zuläßt, gekennzeichnet dadurch, daß sie mit einem System mit variabler Struktur und adaptivem Hystereseband ausgestattet sind zwecks Betrieb bei konstanter Schaltfrequenz, gesteuert durch Hyperfläche, die die optische Verfolgung eines sinusförmigen Referenzsignals ermöglicht.

2. Verbesserung der Wandler von Speichersystemen gemäß dem vorherigen Anspruch, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbesserungen der Regelsysteme in der unabhängigen Regelung ihrer aktiven und reaktiven Spannung bestehen, was die Erzeugung eines sinusförmigen Referenzsignals ermöglicht, wenn der Wandler ständig parallel zum Netz betrieben wird, so daß der Wandler als Schalter funktioniert, wenn er die Richtung der aktiven Spannung steuert.

3. Verbesserung der Wandler von Speichersystemen gemäß den vorherigen Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, daß die Regeleinrichtung für die aktive und reaktive Spannung und die Erzeugung des Referenzsignals durch den Einsatz von speziellen Vektoren des gerichteten Felds erfolgen und sie darüber hinaus über einen weiteren Regelkreis mit Hysterese verfügen, der den Fehler zwischen dem Referenzsignal und dem Ausgang kontrolliert.