DK2378654T3 - Vekselretter-styring - Google Patents

Description

Beskrivelse

Opfindelsen angår en vekselretter, som har mindst en jævnspændingsindgang for mindst en jævnspændingskilde, og som har en trefaset brokobling, hvis faseledere på udgangssiden kan forbindes med et trefaset vekselspændingsnet, hvor veksel retteren ikke etablerer nogen forbindelse til vekselspændingsnettets neutralleder, hvor der med faselederne er forbundet respektivt en kondensator, og kondensatorerne har et fælles forbindelsespunkt.

En sådan trefaset vekselretter er beskrevet i den europæiske patentansøgning EP 2 107 672 A1. Dette dokument nævner især, at en vekselretter uden binding til en neultralleder kan arbejde med en lavere mellemkredsspænding, hvorved effekthalvledernes spændingsbelastning kan reduceres, og deres virkningsgrad kan forøges. Sådanne vekselrettere anvendes til f.eks. at forsyne det offentlige net for en energiforsyningsvirksomhed med elektrisk energi, der er genereret ved hjælp af et fotovoltaik- eller et vindkraftanlæg. En vekselretter af denne art frembringer en trefaset vekselspænding uden en forbindelse til nettets neutralleder (bileder). Til optimal styring af vekselretteren er det imidlertid nødvendigt at bestemme spændingerne for de tre faseledere i forhold til neutrallederens potential.

Den nødvendigvis tilstedeværende beskyttelsesleder (PE-leder, "protective earth") har ganske vist i princippet det samme potential som neutrallederen. Men i forhold til beskyttelseslederen må deraf hensyn til den elektriske sikkerhed ikke kobles måleinstanser, som er galvanisk forbundet med vekselretter-potentialerne.

Formålet er at udforme en vekselretter, som ikke har nogen direkte forbindelse til neutrallederen i et tilsluttet trefaset spændingsnet, på en sådan måde, at veksel retteren kan registrere spændingerne for sin faseledere i forhold til neutrallederens potential.

Formålet opfyldes ifølge opfindelsen ved, at vekselretteren har en mikro-controller, som registrerer faseledernes spændinger i forhold til et internt referencepotential, at mikrocontrolleren registrerer spændingen ved kondensatorernes forbindelsespunkt i forhold til det interne referencepotential ved en spændingsmåling eller beregner den ud fra registrerede spændingsværdier, og at mikrocontrolleren ud fra de registrerede spændinger beregner faseledernes spændinger i forhold til neutrallederens potential.

Opfindelsen uddybes nærmere nedenfor ved hjælp aftegningen. Her viser: figur 1 en kredsløbsskitse afen vekselretter ifølge opfindelsen, figur 2 forløb af diverse spændinger ved binding af vekselretteren til et symmetrisk vekselspændingsnet, figur 3 to udførelser af integratorer, figur 4 et Bode-diagram for de i figur 3 viste regulatorer, figur 5 forløb af diverse spændinger ved binding af vekselretteren til et asymmetrisk vekselspændingsnet.

Figur 1 skitserer på en meget forenklet måde funktionsvæsentlige komponenter af en vekselretter WR ifølge opfindelsen. Vekselretteren WR haren trefaset brokobling, som består af tre brogrene B1, B2, B3. De viste kontaktsymboler står forenklet for styrbare effekthalvledere, som styres via en kredsløbsanordning, der ikke er detaljeret beskrevet, og til hvilken der hører en mikrocontroller MC. Det er forudsat, at mikrocontrolleren MC via ligeledes ikke viste måleindretninger kan registrere spændingsværdier på forskellige kredsløbspunkter i veksel retteren WR, baseret på et referencepotential BZ. Som referencepotential BZ anvendes her en ledning af mellemkredsen, i hvilken jævnspændingskilden DC, der er tilsluttet jævnspændingsindgangen af veksel retteren WR, indfører mellemkredsspændingen uzk.

Med brogrenene B1, B2, B3 er der respektivt forbundet en omformerinduktivi-tet L1, L2, L3, hvis udgangsledninger udgør de tre faseledere P1, P2, P3 af veksel retteren WR, hvilke faseledere kan forbindes med de tre faser i et vekselspændingsnet WN.

En yderligere bestanddel af vekselretteren WR er et netfilter NF, som består af et netværk af flere kondensatorer. Kondensatorerne Cxi, Cx2, Cx3 er forbundet med respektivt en af faselederne P1, P2, P3 og har desuden et fælles forbindelsespunkt VK. En yderligere kondensator Cy forbinder forbindelsespunktet VKmed beskyttelseslederen PE i vekselspændingsnettet WN.

Det problem, der skal løses, består i, at mikrocontrolleren MC med henblik på den optimale styring af vekselretteren WR skal have kendskab til spændingerne uli, ul2, ul3 for faselederne P1, P2, P3 baseret på potentialet for neutrallederen i vekselspændingsnettet WN. Da neutrallederen ikke er sammenkoblet med vekselretteren WR, står dennes referencepotential imidlertid ikke til rådighed. Beskyttelseslederen PE har ganske vist ligeledes neutrallederens potential, men må af hensyn til den elektriske sikkerhed ikke forbindes galvanisk med måleindretningerne. De følgende overvejelser skal vise, hvordan spændingsværdierne uli, ui_2, ul3 alligevel kan bestemmes i forbindelse med den viste kredsløbsanordning.

Det i figur 1 viste kredsløbsbillede skal i den sammenhæng i første omgang

tydeliggøre spændingsforholdene. Så længe vekselspændingsnettet WN er symmetrisk belastet, kan spændingerne uli, ui_2, ui_3 for faselederne P1, P2, P3 baseret på neutrallederpotentialet bestemmes ud fra vekselspændingsnettets symmetribetingelser (Kirchhoffs knude- og maskeregler) 08 Σ"^ R=1 «=1

Da neutrallederpotentialet ikke står til rådighed, kan mikrocontrolleren MC udelukkende registrere netspændingerne i forhold til et referencepotential BZ; spændingerne uli_wr, ul2_wr og ul3_wr er således registrerbare. Spændingen uwR_PEfra referencepotentialet BZ til PE-lederens potential må af de førnævnte grunde ikke måles direkte af vekselretteren WR. Ifølge maskereglen kan man aflæse følgende sammenhænge ud fra figur 1:

ULl_WR ~ ULl ~ UWR_PE UL2_WR ~ UL2 ~ liWR_PE UL3_WR ~ UL3 ~ UWR_PE

Additionen af disse tre ligninger fører til følgende udtryk. ULl_WR + UL2_WR ~^UL3_WR ~ ^L1 + U L2 + K£3 ~ UWR_PE ~UWR_PE ~^WR_PE =0

Ved antagelse af et symmetrisk vekselspændingsnet WN er summen af de første tre summander lig nul. Af denne ligning følger så umiddelbart:

_ ULl_WR~^UL2_WR~^ltL3_WR UWR_PE ~

Spændingen uwr_pe fra vekselererens referencepotential BZ i forhold til PE kan altså på ethvert tidspunkt bestemmes som middelværdi for de tre fasespændinger uli_wr, ul2_wr, ul3_wr baseret på referencepotentialet BZ.

Da potentialet for beskyttelseslederen PE kan forudsættes som identisk med neutrallederens potential, kan man bestemme netspændingerne uli, ui_2, ul3

ved en simpel beregning:

ULi ~ ULl_WR + UWR_PE UL2 ~ U L2_WR + UWR _PE 11 £3 ~ 11 L3_WR + UWR _PE

Alternativt kan man også betragte potentialet for forbindelsespunktet VK i netfilteret. I tilfælde af et symmetrisk net er spændingen ux_pe konstant lig nul, det vil sige, at der ikke løber nogen ladestrøm via kondensatoren Cy. Dette kan nemt bevises: under hensyntagen til, at kondensatorstrømmenes sum _r d(uLl~Ux PE) , _ d(UL2~UX_PE^ _r ^(UL3~UX_PE^ lCxl XI 7 lCx2 — '-'X 2 7 lCx3 ~ ^X3 7 dt dt dt i forbindelsespunktet VK er lig nul, følger: d(uLi—uXPE)^ d(uL2~ux_PE) t Γ d(iiLi—uXPE) L x i ~7 x 2 7 rC X 3 dt dt dt

Hvis man desuden gårud fra, at kapaciteterne for X-kondensatorerne Cxi, Cx2, Cx3 i netfilteret NF er ens, så kan man ved en simpel integration isolere spændingen UXPE. ULl + M£2 "I" W£3 _ llX _PE ~UX_PE ~ llX _PE ~ —3«^ pE — 0 v-V-' =0

Deraf følger, at uxpe også er nul. På grund af masken

11 X WR^^'WR PE =li X PE

er

UWR_PE ~ ~ 11 X_WR

Således kan man bestemme netspændingerne direkte igen:

llLl ~llLl_WR ~llX_WR UL2 ~llL2_WR ~UX_WR UL3 ~UL3_WR ~^X_WR

For at tydeliggøre sammenhængene viser figur 2 et simuleringsplot, hvor forløbene af forskellige spændinger i et symmetrisk net er grafisk vist. Det øvre plot 1 viser netspændingerne uli, ui_2, ul3 direkte. Derunder er spændingerne uli_wr, ul2_wr, ul3_wr vist i plot 2, hvordan de måles af en mikrocontroller MC i forhold til referencepotentialet BZ. Ved en middelværdidannelse af de tre spændinger uli_wr, ul2_wr, ul3_wr bestemmes så spændingen uxwr = 1/3 *

(uli_wr + ul2_wr + ul3_wr) (markeret med pil). Hvis man subtraherer denne spænding ux_wr igen fra de enkelte registrerede netspændinger uli_wr, ul2_wr, ul3_wr (plot 3), så svarer disse igen til de originale værdier af det øvre plot 1.

Vanskeligere bliver situationen, når netspændingerne ikke mere er symmetriske, det vil sige, at summen af øjebliksværdierne for netspændingerne uli, ui_2, ul3 ikke på ethvert tidspunkt giver nul. For strømmene ii_i, iL2, il3 gælder stadig symmetribetingelsen, ellers ville veksel retteren WR vise en kortslutning. På grund af asymmetrien af netspændingerne uli, ui_2, ui_3 så er spændingen uxpe også ikke lig med nul. Den kan så bestemmes ved anvendelse af overlejringssættet:

γ 1 y 'y V w = u T,-'--l· w, 9-=--1- u T.-—- x-pc cxl + cX2+cX3 cxl + cX2+cX3 CXI+CX2+CX3 Når alle kondensatorerne er ens dimensioneret, hvilket er normalt i netfiltre, forenkles den ovenstående ligning: UX_PE ~ (WI1 "I" WL2 + UL3 )

Spændingen ux pe ligger nu på Y-kondensatoren Cy og bevirker en strøm icy. Da der i forhold til beskyttelseslederen PE ikke må tilkobles nogen galvanisk koblede måleinstanser, skal spændingen ux pe nu registreres ad indirekte vej. Dertil bliver strømmen icy registreret med en egnet måleoptagelse på kondensatorens side, der vender væk fra beskyttelseslederen PE. Med strømmen icy kan man nu så bestemme spændingen på kondensatoren og således den søgte spænding ux_pe.

Generelt gælder: duXPE lCY~ at

Deraf følger: 11X PE ~ i-CY &

Cy j

En ren integration af strømmen (figur 3a) medfører, at måleværdiregistreringens offsets og engangsforstyrrelser ikke aftager og opsummeres. Teknisk er en sådan form af integrationen ikke hensigtsmæssig. I stedet er her en "båndbreddebegrænset" integration fordelagtig (figur 3b). Derved føres en del af udgangsværdien tilbage til indgangen via en tidskonstant Td. Formålet er, at engangsbegivenheder aftager med denne konstant, mens de teknisk interessante frekvenser opintegreres normalt. Integrationen kan enten ske ved et diskret integrationselement eller især fordelagtigt direkte via mikrocontrolleren MC.

Det i figur 4 viste Bode-diagram viser amplitude- og faseforløbet for begge overføringselementer ved (a) med ren integration og (b) båndbreddebegrænset integration med en tidskonstant på Td = 500ms. Bode-diagrammet tydeliggør, at begge overføringselementer i det teknisk interessante frekvensområde på ca. 50 Hz giver det samme resultat. Fordelen ved den båndbreddebegrænsede integration er imidlertid, at engangsbegivenheder og offsets for måleindretningen aftager med tidskonstanten Td. Dermed kan man beregne spændingerne som følger:

UL1 ~UL1_WR ~UX_WR + UX_PE

UL2 — UL2 w — Ux WR +UX PE

UL3 ~ UL3 WR ~ UX WR + UX PE

Simuleringsplottet i figur 5 skal tydeliggøre virkemåden. Det øvre plot 1 viser de tre netspændinger, hvor uli nu er nul. Dermed er nettet usymmetrisk. Plot

2 viser spændingerne, hvordan de måles af mikrocontrolleren i forhold til mellemkredsens massepotential. Plot 3 viser nu de af mikrocontrolleren MC beregnede netspændinger uli_wr - ux_wr, ul2_wr - ux_wr, ul3_wr - ux_wr, beregnet i henhold til den tidligere udledede algoritme for et symmetrisk net. De stemmer ikke overens med de reelle netspændinger uli, ui_2, ul3. Den beregnede fasespænding af uli registreres ikke som nul, og de beregnede spændinger til ul2 og ul3 stemmer ikke overens hverken i amplitude eller i faseniveauet. Årsagen hertil er, at mellemkredsens potential i forhold til beskyttelseslederen PE nu har et netfrekvent spændingsslag. Først ved inddragelse af spændingen ux_pe, som indirekte er registreret via kondensatorstrømmen af Cy, kan mikrocontrolleren MC rekonstruere de reelle netspændinger uli, ui_2, ul3 fuldstændigt igen. Disse er vist i plot 4. Når X-kondensatorerne Cxi, Cx2, Gx3 i netfilteret NF er ens dimensioneret, så er en måling af spændingen ux wr ikke nødvendig. Der gælder så, som allerede udledt, ligningen for beregningen af ux_pe: UX _ PE — (W71

W72 + M7i )

Ud fra kredsskitsen i figur 1 kan man ved forløbet af spændingsmasken på indgangssiden desuden aflæse:

UX PE ~ UX WR UWR PE

Summen af alle tre spændinger, der måles af mikrocontrolleren MC, er:

UL1 WR + UL2 WR UL3 V® — UL1 + UL2 + UL3 ~ UWR PE ~ UWR PE ~ UWR PE

Efter multiplikationen med 1/3 følger: 1( , , \_UL1+UL2+UL3

~^\UL1_WR + UL2_WR +UL3_Wr)— UWR_PE ~UX_PE ~UW'R_PE

UX_PE

Hvis man nu erstatter Uxpe med udtrykket af masken på indgangssiden, så

kommer man frem til den følgende ligning:

^(UI,]_WR + + MU_WT?)—_PF

~UWR_PF. ~ UX_WR + UWR_PF ~UWR_PF. UX_WR ~~^{UL1_WR JrUL2_WR WL3_(«i ) d' θ'

Dermed er der ført bevis for, at også ved et usymmetrisk net skal spændingen uxwr ikke måles direkte. Forudsætningen er imidlertid, at X-kondensatorerne Cxi, Cx2, Cx3 i netfilteret NF har identiske værdier. Hvis dette ikke er tilfældet, så skal spændingen ux wr måles af mikrocontrolleren MC.

Henvisninger B1, B2, B3

Brogrene

BZ

Referencepotential

Cxi, CX2, Cx3, Cy

Kondensatorer

DC Jævnspændingskilde L1, L2, L3

Omformerinduktiviteter

MC

Mikrocontroller

NF

Netfilter P1, P2, P3

Faseledere

PE

Beskyttelsesleder

Td

Tidskonstant

VK

Forbindelsespunkt

WN

Vekselspændingsnet

WR

Veksel retter icy

Strøm (ladestrøm for kondensatoren Cy) IL1, il_2, IL3

Strømme (gennem faselederne P1, P2, P3) UL1, UL2, UL3

Spændinger for faselederne P1, P2, P3 i forhold til neutrallederen (netspændinger)

UL1_WR, UL2_WR, UL3_WR

Spændinger for faselederne P1, P2, P3 i forhold til referencepotentialet BZ

UXWR

Spænding for forbindelsespunktet VK i forhold til referencepotentialet BZ

UXPE

Spænding for forbindelsespunktet VK i forhold til beskyttelseslederen PE

UWR_PE

Spænding mellem referencepotentialet BZ og beskyttelseslederen PE

UZK

Mellem kredsspænding

Claims (9)

1. Vekselretter, som har mindst en jævnspændingsindgang for mindst en jævnspændingskilde, og som har en trefaset brokobling, hvis faseledere på udgangssiden kan forbindes med et trefaset vekselspændingsnet, hvor vek-selretteren ikke etablerer eller har nogen forbindelse til vekselspændingsnettets neutralleder, hvor der med faselederne er forbundet respektivt en kondensator, og kondensatorerne har et fælles forbindelsespunkt, kendetegnet ved, at vekselretteren (WR) har en mi krocontroller (MC), som registrerer spændingerne (uli_wr, ul2_wr, ul3_wr) for faselederne (P1, P2, P3) i forhold til et internt referencepotential (BZ) at mikrocontrolleren (MC) registrerer spændingen (uxwr) ved forbindelsespunktet (VK) for kondensatorerne (Cxi, Cx2, Cx3) i forhold til det interne referencepotential (BZ) ved hjælp af en spændingsmåling eller beregner den ud fra de registrerede spændinger (uli_wr, ul2_wr, ul3_wr) for faselederne i forhold til det interne referencepotential, og at mikrocontrolleren (MC) ud fra de registrerede spændinger (uli_wr, ul2_wr, ul3_wr, ux wr) for faselederne i forhold til det interne referencepotential beregner spændingerne (uli, ui_2, ul3) for faselederne (P1, P2, P3) i forhold til neutrallederens potential.

2. Vekselretter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kondensatorerne (Cxi, Cx2, Cx3) er ens dimensioneret, og mikrocontrolleren (MC) beregner spændingen (ux wr) ved forbindelsespunktet (VK) for kondensatorerne (Cxi, Cx2, Cx3) i forhold til det interne referencepotential (BZ) ved en middelværdidannelse UX_WR — ~^(UL1_WR + UL2_WR + 11 !.'i Wl< ) ud fra de registrerede spændinger (uli_wr, ul2_wr, ul3_wr) for faselederne (P1, P2, P3) i forhold til det interne referencepotential (BZ).

3. Vekselretter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at forbindelsespunktet (VK) via en yderligere kondensator (Cy) er forbundet med vekselspændingsnettets (WN) beskyttelsesleder (PE), og at mikrocontrolleren (MC) registrerer ladestrømmen (icy) for denne kondensator (Cy).

4. Vekselretter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at referencepotentialet (BZ) er et potential af vekselrettermellemkredsen.

5. Vekselretter ifølge krav 1 eller krav 4, kendetegnet ved, at de med hinanden koblede kondensatorer (Cxi, Cx2, Cx3, Cy) udgør et netfilter (NF).

6. Vekselretter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at mikrocontrolleren (MC) i tilfælde af et symmetrisk belastet vekselspændingsnet WN beregner spændingerne (uli, ul2, ul3) for faselederne i forhold til neutrallederens potential over følgende sammenhænge: UL1 ~ULi_VR ~llX_VR UL2 ~UL2_WR ~UX_WR 11 Li ~ULi_WR ~UX_WR'

7. Vekselretter ifølge krav 3, kendetegnet ved, at mikrocontrolleren (MC) i tilfælde af et ikke symmetrisk belastet vekselspændingsnet WN beregner spændingerne (uli, ul2, ul3) for faselederne i forhold til neutrallederens potential over følgende sammenhænge: UL1 ~UL1_WR ~UX_WR '>rUX_PE UL2 UL2_WR UX _WR +UX _PE UL3~UL3 WR~UX WR+UX PE - - - J hvor Uxpe er spændingen, der ligger på kondensatoren (Cy), hvilken spænding bestemmes af mikrocontrolleren (MC) ved en integration af ladestrømmen (icy) for kondensatoren (Cy).

8. Vekselretter ifølge krav 7, kendetegnet ved, at integrationen af ladestrømmen (icy) for kondensatoren (Cy) sker båndbreddebegrænset.

9. Vekselretter ifølge krav 1, kendetegnet ved, at veksel retteren (WR) er bestanddel af et fotovoltaikanlæg.