EP1941335A1 - Aktives netzfilter - Google Patents

Aktives netzfilter

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Publication number
EP1941335A1
EP1941335A1 EP06791724A EP06791724A EP1941335A1 EP 1941335 A1 EP1941335 A1 EP 1941335A1 EP 06791724 A EP06791724 A EP 06791724A EP 06791724 A EP06791724 A EP 06791724A EP 1941335 A1 EP1941335 A1 EP 1941335A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
active
inverter
power
load
compensation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06791724A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alfred Punzet
Viet Luu Hong
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Rexroth AG
Original Assignee
Bosch Rexroth AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Rexroth AG filed Critical Bosch Rexroth AG
Publication of EP1941335A1 publication Critical patent/EP1941335A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • H02J3/1835—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30—Reactive power compensation

Definitions

  • the invention relates to a supply device according to the independent claims, wherein by means of a supply network consumers are supplied with power and the influences of non-linear loads are compensated for the supply network.
  • a supply network by means of a supply network consumers are supplied with power and the influences of non-linear loads are compensated for the supply network.
  • Supply device for providing electrical power for a
  • DC link can work. Furthermore, inverter arrangements are known which are able to compensate harmonic currents on the network.
  • An active line filter basically consists of an inverter or PWM converter in, for example, 3-phase design with IGBT bridge, which is capable of delivering electrical power into a DC voltage intermediate circuit, or - picking up power.
  • the resulting currents can have active and reactive components.
  • the inverter is usually by means of a mains choke comprehensive
  • Network interface connected to the actual supply network and thus switched between load and network.
  • non-linear loads can be connected to the supply network.
  • a simple diode rectifier bridge may already represent such a non-linear load.
  • a more complex structure such as a drive system with electrical loads, causes nonlinear distortions.
  • the non-linear load leads to a network load with harmonic-rich currents. These currents disturb the network balance and create currents in the center conductor. This can lead to problems with parallel connected devices. Depending on the location of the action, these problems are manifested differently by line overloads, voltage drops at the center conductor, component overload due to the harmonics (transformers, capacitors), malfunctions due to the non-sinusoidal network.
  • JP 9258839 shows a relevant active filter which makes it possible to adjust the degree of compensation of the non-linear components by means of an adjustable K-factor.
  • K-factor Frast Fourier Transformation
  • the invention solves the problem by an active system interference filter with an inverter, a control device and a harmonic detection means, the harmonic detection means determines a dependent on the harmonic power compensation power (pc, qc) and a respect of the compensation power demand adaptive acting control device component for determining a gain factor is included the compensation power is supplied to the inverter in accordance with the load of the inverter and / or the gain factor.
  • the above-mentioned and inventively modified active filter is preferably connected to a 3-phase network by means of a network filter.
  • the line filter effects a supply-side filtering to reduce the switching frequency generated by the PWM stage of the inverter and superimposed on the line frequency.
  • the power unit of the inverter includes a PWM IGBT power amplifier with DC intermediate circuit including DC link capacitor. As a rule, a DC load is connected on the DC link side.
  • the inverter represents the utility for this load.
  • the supply network can also have more or less than 3 phases.
  • the invention is thus by no means limited to use on a 3-phase supply network.
  • a control device is understood to be a unit which comprises components for operating the inverter, in particular components for controlling, controlling and regulating the power output.
  • all performance characteristics of the inverter can be stored in the control device. These may include, but are not limited to, permissible maximum current Imax, allowable maximum voltage Umax, inverter thermal characteristic, degree of instantaneous load / load, maximum power output, etc.
  • the controller may also include the harmonic detection means and the adaptive controller component.
  • a harmonic detection means is understood to mean a device which is capable of mathematically detecting the proportion of non-linear distortions in the current and / or voltage profile of a supply network and thus also the active power component or the reactive power component in the supply network.
  • An adaptively acting control device component is understood to mean a device which determines a compensation factor by means of which the quality of the active filtering can be set as a function of the required and the available energy (current performance of the inverter and / or state of the DC intermediate circuit).
  • a lower filter quality can be set in favor of an increased power requirement of a DC load connected to the inverter. Between the two operating modes “supply” and “filter” can thus produce a virtually continuous transition.
  • in accordance with the capacity utilization of the inverter is to be understood as a regulation of the compensation power dependent on the instantaneous degree of utilization / degree of load of the inverter as a supplier.
  • the active filter according to the invention therefore has two possible modes of operation.
  • a first mode as a line filter to compensate for nonlinear distortions and a second
  • Both modes may be active in parallel or alternatively at different intensities.
  • the degree of compensation is adjustable and individually adjustable.
  • the operating mode of the mains feedback filter is possible as a voltage supply device (supplier) or filter depending on the harmonics generated by a non-linear load.
  • the compensating power and possibly additionally the power requirement Pdc of a DC load connected to the inverter is taken into account at the input of a current transformer and transformed by means of the current transformer into compensation current nominal values (1 * q, 1 * d).
  • the transformation of the powers into currents taking place in this processing stage has the advantage that the magnitudes on which the amplification factor acts and also the output of the voltage regulator are independent of the mains voltage level. It can be counted up to this point at the performance level.
  • the DC voltage U D c is a DC link voltage generated by the inverter to which a load to be fed with DC voltage is usually connected.
  • the connectable load it is possible to prioritize one of the operating modes of the inverter (supplier and / or filter), so that a load-dependent mode selection results from it. If, for example, large non-linearities are to be compensated, the filter mode should be given priority, provided that there is still enough power available to supply additional loads.
  • the current feedback filter according to the invention comprises a current control, in particular a Pl-current control with dead-beat behavior.
  • a current control in particular a Pl-current control with dead-beat behavior.
  • the advantage of using the dead-beat behavior over the pure Pl behavior is the faster setting of the currents and thus a more accurate adjustment of the compensated current waveform.
  • an active network feedback filter comprises a
  • the regulator may be a PI voltage regulator. Thus, it is easy to determine a DC-side power setpoint from the DC link voltage.
  • the harmonic detection means comprises a mains AC voltage and mains AC currents and transforms them by means of the Clarke transformation in accordance with the active power / reactive power theory (PQ theory) in compensating power setpoint values pc, qc that can be represented in the dq coordinate system.
  • the input value of the harmonic detection means may be a 3-phase supply network current or a 3-phase supply voltage of the supply network to which a non-linear load is connected and whose harmonic components are to be compensated.
  • the calculated correction results in sum with the harmonic mains power supply at the grid feed point a sinusoidal active power. It is thus created a way to capture the power to be compensated mathematically efficient and reproducible.
  • the adaptively acting control device component comprises a control circuit for calculating the amplification factor, wherein the amplification factor acts as a control member and controls the proportion of the compensation power.
  • the quality with which a compensation is carried out depends, among other things, on the performance of the control loop.
  • the compensation in its intensity between a state without compensation (device in the supplier operation) and a state of maximum possible compensation (supply in the filter mode) or a lying within the aforementioned state range sub-range virtually infinitely regulate.
  • the network reaction filter according to the invention can thus be infinitely regulated between the two operating modes filter and supply depending on load conditions.
  • amplification factor is determined as a function of a load which can be connected to the inverter, so that during the filter operation a base load compensation and / or or a peak load compensation for this load is feasible.
  • a further possibility to solve the problem is that an input mentioned active network feedback filter, in particular with the properties described above, as a slave to a master in the form of a central control device (9) can be assigned and a
  • Input and / or output is connected to the connection with the master, said means of the
  • Network feedback filter would thus operate autonomously or centrally controlled in a network of active network feedback filters.
  • the output is used to transmit static and / or dynamic device data of the inverter to the central control device, there to calculate the appropriate for the inverter and individual compensation power components.
  • inverter-specific data in particular data relating to the performance and / or utilization / load of the inverter and the DC voltage intermediate power Pdc, to the. Master transferable.
  • the invention comprises a central control device, which can be assigned as master to a slave in the form of an active network retroactive filter according to the invention and an input and / or output for connection to a slave is included, wherein by means of the output compensation power setpoints are transferable.
  • a control device can thus control several active line filters.
  • inverter-specific data in particular data relating to the performance and / or utilization / loading of the inverter, can be received by the slave by means of the input. There are then performance-dependent individual calculations possible, which can be repeated cyclically.
  • the central control device particularly preferably comprises a harmonic detection means, which determines a compensation power dependent on the harmonic power and comprises an adaptive control device component for determining an amplification factor, the compensation power serving as the compensation power setpoint in accordance with the load / load of the inverter and the amplification factor ,
  • a harmonic detection means which determines a compensation power dependent on the harmonic power and comprises an adaptive control device component for determining an amplification factor, the compensation power serving as the compensation power setpoint in accordance with the load / load of the inverter and the amplification factor .
  • a supply network according to the invention comprises at least one active network feedback filter according to the invention and / or a central control unit. Reference is made here to the advantages already mentioned.
  • the non-linear load is preferably a drive system, in particular a drive system with further electrical components. Especially in these systems, due to the use of nonlinear components, nonlinear distortions occur.
  • Harmonic detection means a current regulator b current transformer
  • Figure 1 is a control scheme for an active network feedback filter with peripherals
  • Figure 2 is a schematic block diagram of a supply network with central control device and a plurality of inventive devices
  • 3 shows a flowchart for determining the amplification factor.
  • FIG. 1 shows an inverter 1 with a DC load 7 and a control device 2.
  • the control device 2 comprises in particular a current regulator 4a, a voltage transformer 4b, a harmonic detection means 3, an adaptive controller 5, a PI controller 8 and a gain factor Kc 6.
  • the control device 2 is the measured inverter grid current l s after passage of the network interface 11, the supply network current I L of the non-linear load and the supply voltage U N supplied.
  • a non-linear load 10 is also connected.
  • I L represents the distorted current of the nonlinear load 10
  • Is represents the inverter output current.
  • I 8 includes the current difference necessary to form a sinusoidal current I N TO from the distorted current I L.
  • the active mains feedback filter 13 comprises inter alia a fully functional inverter 1, so that it is possible to switch between the ' operating modes' filter mode ' and 'supplier mode ' by suitable, running in the control device 2 control algorithms or to activate them simultaneously or separately.
  • the control algorithm calculates the current setpoints for active power and reactive power. These are needed to fully compensate for the effects of a nonlinear load. This compensation capacity is limited by the current limit or the performance of the active filter.
  • the harmonic detection means 3 determines a compensation power dependent on the supply network side harmonic power with the effective component pc and the reactive component qc.
  • the compensating power pc, qc is calculated according to the capacity and / or the load / load of the inverter 1 by means of the gain factor 6 in the form of the adaptive compensation power values p * c and q * c forwarded, which are transformed by the current transformer 4b taking into account the active power setpoint Pdc in the compensation current setpoints l * q, l * d and fed to the adaptive controller 5.
  • a control difference is formed from these compensating current setpoint values l * q, l * d and the detected inverter network current I 3 (taking account of active and reactive components according to Clark-dq transformation) and the corresponding voltage setpoint values Uq and Ud for compensating purposes by means of current regulation 4a to inverter 1 fed.
  • the compensation current setpoint values l * q, l * d are supplied as a function of the load on the DC supply voltage U D c, which is applied to the DC voltage output of the inverter 1.
  • U D c a voltage regulator 8 is included whose input-side control difference is formed from one of the DC voltage U D c and a DC voltage setpoint U * D c and whose output corresponds to the active power setpoint Pdc.
  • the formed active power setpoint is practically added to Pdc.
  • the supply system shown in FIG. 2 comprises a supply network 12 and a plurality of active network feedback filters 13 according to the invention with peripherals 10, 11.
  • the active network feedback filter 13 comprises an inverter 1 and a control device 2.
  • the illustrated interruption of the supply network 12 should indicate that a plurality of further active network feedback filters 13 could be connected to the supply network 12.
  • the term "peripheral" includes the network interface 11.
  • a non-linear load 10 and a central control unit (master controller) 9 are also shown. Between the control devices 2 of the active network feedback filter 13 and the master controller 9 bidirectional and / or unidirectional connections 14 are arranged. Thus, the master controller 9 can communicate with the slave controllers 2.
  • connection 14 it is possible, for example, to transfer compensating power setpoint values p * c, q * c from the master controller 9 to the control devices 2. This is then transformed into compensating current setpoints l * q, l * d by means of a decentralized current transformer 4b comprised by the active mains feedback filter 13.
  • a current regulator 4a uses these compensation current setpoint values Tq 1 l * d for generating the voltage setpoint values Uq, Ud, which are supplied to the inverter 1 for compensation purposes.
  • this current transformation and current regulation takes place in the control device 2 (see FIG. 1).
  • the master controller 9 in turn can receive and utilize inverter-specific data, in particular data relating to the performance and / or the load / load of the inverter 1, by means of the connection 14.
  • the central control device 9 or the master controller 9 comprises a harmonic detection means 3. This determines the dependent of the harmonic power compensation power pc qc as already described above, wherein in a relative to the compensation power demand adaptively acting control device component 5 determines a gain factor 6 (K c ) is determined, which determines the required compensation power for the inverter according to the individual capacity or utilization on the basis of the data received by the connection 14 of the inverter.
  • the non-linear load 10 could be, for example, a drive system, in particular a drive system with further electrical components. It is by no means deducible from FIG. 2 that only a single nonlinear load 10 can be supplied by the supply network. Rather, the non-linear load 10 is representative of parallel and / or series-connected possibly further non-linear loads. The combination of the non-linear loads 10 produces a harmonic pattern specific to this arrangement. This harmonic image is detected by the master controller 9 to affect it specifically.
  • a central control device 9 using a central control device 9 is a complete or partial and dynamically adjusted compensation of the harmonics of Supply network 12 by means of several inverters 1 possible, the power reserves / utilization / load of the available inverter 1 is taken into account.
  • An application example of this would be, for example, a production island within a production line with multiple drive sets consisting of active mains feedback filters 13, which can operate as a regenerative utility because of the inverter 1, which may be the DC loads to axis inverter and motors.
  • the non-linear loads 10 in this example could consist of supply devices in feed-in technology (rectifier bridges) and connected Achsinrichtern, and other unspecified consumers.
  • the system is therefore equipped in part with supply units in feed-in technology (non-linear load due to rectifier bridge) and in regenerative technology (inverter and thus capable of functioning as a utility or active filter).
  • the adaptively acting control device component 5 from FIG. 1 (in FIG. 2 from the master controller block 9) comprises a control circuit for calculating the
  • Amplification factor 6 wherein the gain factor 6 as shown in Figure 1 by means of
  • Arrow indicated acts as a control member and controls the formation of the control difference at the input of the current transformer 4b required proportion of the compensation powers pc and qc.
  • the adapted compensation powers p * c, q * c are available.
  • the compensation current I * q, I * d can thereby be regulated indirectly by means of the amplification factor 6 in its intensity.
  • FIG. 3 shows a flowchart / flowchart for calculating the amplification factor 6 (Kc).
  • Kc amplification factor 6
  • the adaptive gain K 0 controls the proportion of calculated compensation power values pc, qc that are used for active network filtering.
  • a factor K 0 of 0 in this example does not mean active network filtering, a factor of 1 means complete network filtering in this example. Consequently, the gain factor 6 (K 0 ) should lie in the following range: 0 ⁇ K c ⁇ 1.
  • Amplification factor 6 (K 0 ) is always recalculated depending on the cycle in accordance with the flowchart by means of the control device 5.
  • K c (k) denotes the current value and Kc (k -i ) the value of the previous calculation.
  • I 4 C l 1 l * q represent the compensation current desired values calculated taking into account the supply network phase angle ⁇ in the current transformer 4b, which can be represented in an orthogonal dq coordinate system.
  • the input variables of the current transformer p * c and q * c are already present in the dq system.
  • the consideration of the mains voltage U N takes place by means of a transformed into an ⁇ ß system (transformation of a three-phase system with the phases a, b, c in a two-phase system with the phases ⁇ , ß) mains voltage U N.
  • Ua, b, c stands correspondingly for the three phases of the mains voltage U N.
  • the conversion is carried out by means of the following calculation.
  • the currently possible maximum current l max of the inverter applies to the vectorial sum of the currents in the dq direction.
  • the d component corresponds to the active component.
  • 2 max (vectorial addition) is provided by an external source and in the simplest case can be a fixed value. Another possibility would be the provision of a thermal model of the PWM power amplifier.
  • the current reserve ⁇ for active filtering is calculated from the geometric subtraction of the currents l max and 1 * ⁇ l * q -
  • the gain factor (6) K 0 is calculated by means of a discrete proportional controller.
  • the proportional gain ⁇ serves to adjust the loop gain.
  • the compensation current setpoints would have to be lowered.
  • the current released for the required active power would then possibly no longer be sufficient due to the thermally induced reduction of l 2 max.
  • the currently possible maximum current of the converter l 2 max can be reduced by the current l 2 dcmastructure to be defined previously become.
  • the height of l 2 dC ma x can be pre-determined for the respective application, depending on the expected load or capacity of the inverter.
  • an active power reserve can always be occupied in advance, which can not be undershot by the thermal load in the filter mode.
  • control device component 5 it would also be possible to design the control device component 5 such that it is always optimally filtered up to a freely definable nonlinear load variable 10. This would mean that the inverter 1 always works with a basic load due to the compensation of non-linear distortions in the supply network 12 as a filter and supply unit on the supply network 12. Rarer peak loads would then be partially compensated. On the other hand, one can imagine that especially at low non-linear loads on the supply network 12, the compensation is completely omitted in order to compensate only at high, non-linear peak loads. Such an arrangement could be realized by a specially designed control characteristic.
  • the control characteristic may be inserted after the harmonic detection means 3 and acts as an additional non-linear gain factor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einer Versorgungseinrichtung (13) , welche mittels eines Versorgungsnetzes (12) einen Verbraucher (7) mit Leistung speist. Die Versorgungseinrichtung (13) erfüllt sowohl die Funktion einer Leistungsversorgung als auch die Funktion eines Netzfilters, wobei abhängig von den erforderlichen Energiereserven ein optimaler Arbeitspunkt bezüglich der Betriebsarten Versorger/Aktiver Filter einstellbar sein soll . Dies wird realisiert mittels eines aktiven Netzrückwirkungsfilters, wobei ein Oberwellenerfassungsmittel (3) eine von der Netzoberwellenleistung abhängige Kompensationsleistung ermittelt und eine bezüglich des Kompensationsleistungsbedarf es adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente (5) zur Ermittlung eines Verstärkungsfaktors (6) umfasst ist, wobei die Kompensationsleistung nach Maßgabe der Auslastung des Wechselrichters (1) und des Verstärkungsfaktors (6) dem Wechselrichter (1) zugeführt wird.

Description

Aktives Netzfilter
Die Erfindung befasst sich mit einer Versorgungseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen, wobei mittels eines Versorgungsnetzes Verbraucher mit Leistung gespeist und die Einflüsse nichtlinearer Lasten auf das Versorgungsnetz kompensiert werden. Im Stand der Technik sind Anordnungen mit Wechselrichtern bekannt, welche als
Versorgungseinrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für einen
Gleichspannungszwischenkreis arbeiten können. Weiter sind Wechselrichteranordnungen bekannt, die in der Lage sind Oberwellenströme auf dem Netz zu kompensieren. Die
Erfindung beschreibt im Detail die parallele Versorgung und Kompensation durch eine
Anordnung, welche als Versorgungseinrichtung und aktives Filter fungieren kann.
Ein aktives Netzfilter besteht grundsätzlich aus einem Wechselrichter oder PWM-Converter in beispielsweise 3-phasiger Ausführung mit IGBT - Brücke, wobei dieses in der Lage ist elektrische Leistung in einen Gleichspannungszwischenkreis abzugeben, bzw. - Leistung aufzunehmen. Die sich hierbei einstellenden Ströme können Wirk- und Blindanteile aufweisen. Der Wechselrichter ist in der Regel mittels einer eine Netzdrossel umfassenden
Netzschnittstelle mit dem eigentlichen Versorgungsnetz verbunden und damit zwischen Last und Netz geschaltet.
Am Versorgungsnetz können zusätzlich nichtlineare Lasten angeschlossen sein. Eine einfache Diodengleichrichterbrücke kann bereits eine solche nichtlineare Last darstellen. Aber auch ein komplexeres Gebilde, wie beispielsweise ein Antriebssystem mit elektrischen Verbrauchern, verursacht nichtlineare Verzerrungen. Die nichtlineare Last führt zu einer Netzbelastung mit oberwellenreichen Strömen. Diese Ströme stören die Netzbalance und verursachen Ströme im Mittelleiter. Dies kann bei parallel angeschlossenen Geräten zu Problemen führen. Diese Probleme machen sich je nach Wirkort unterschiedlich bemerkbar durch Leitungsüberlastungen, Spannungsabfälle am Mittelleiter, Bauteilüberlastung durch die Oberwellen (Trafos, Kondensatoren), Funktionsstörungen aufgrund des nichtsinusförmigen Netzes.
Im Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, welche derartige fehlende Netzbalancen wieder herstellen. Solche Vorrichtungen sind unter der Bezeichnung „Aktive Netzfilter" bekannt. Beispielsweise zeigt die Schrift JP 9258839 ein einschlägiges aktives Filter, welches mittels eines verstellbaren K-Faktors die Einstellung des Kompensationsgrades der nichtlinearen Anteile ermöglicht. Zur Ermittlung des Kompensationsstromes werden- über eine FFT (Fast Fourier Transformation) einzelne Harmonische ausgefiltert. Der K-Faktor dient zur energiesparenden Einstellung des Filters und hat sonst keine weitere Funktion.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Eingangs erwähnte Versorgungseinrichtung derart zu verbessern, dass abhängig von den erforderlichen Energiereserven ein im Hinblick auf die Netzbalance optimaler Arbeitspunkt bezüglich der Betriebsarten als Versorger und Filter einstellbar ist.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein aktives Netzrückwirkungsfilter mit einem Wechselrichter, einer Kontrolleinrichtung und einem Oberwellenerfassungsmittel, wobei das Oberwellenerfassungsmittel eine von der Netzoberwellenleistung abhängige Kompensationsleistung (pc, qc) ermittelt und eine bezüglich des Kompensationsleistungsbedarfes adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente zur Ermittlung eines Verstärkungsfaktors umfasst ist, wobei die Kompensationsleistung nach Maßgabe der Auslastung des Wechselrichters und/oder des Verstärkungsfaktors dem Wechselrichter zugeführt wird.
Das oben genannte und erfindungsgemäß modifizierte aktive Filter ist vorzugsweise an einem 3-phasigen Netz mittels eines Netzfilters angeschlossen. Das Netzfilter bewirkt eine versorgungsnetzseitige Filterung zur Reduzierung der von der PWM - Stufe des Wechselrichters erzeugten und der Netzfrequenz überlagerten Schaltfrequenz.
Das Leistungsteil des Wechselrichters umfasst eine PWM - IGBT - Endstufe mit Gleichspannungszwischenkreis inkl. Zwischenkreiskondensator. In der Regel ist zwischenkreisseitig eine DC-Last angeschlossen. Für diese Last stellt der Wechselrichter den Versorger dar.
Generell sei darauf hingewiesen, dass das Versorgungsnetz auch mehr oder weniger als 3 Phasen aufweisen kann. Die Erfindung ist also keineswegs auf die Verwendung an eines 3 phasigen Versorgungsnetzes eingeschränkt. Unter einer Kontrolleinrichtung wird eine Einheit verstanden, welche Komponenten zum Betrieb des Wechselrichters umfasst, insbesondere Komponenten zur Kontrolle, Steuerung und Regelung der Leistungsabgabe. In der Kontrolleinrichtung können wiederum sämtliche Leistungskenndaten des Wechselrichters hinterlegt sein. Hierzu können unter anderem gehören, der zulässiger Maximalstrom Imax, die zulässige Maximalspannung Umax, die thermische Kennlinie des Wechselrichters, der Grad der momentanen Auslastung/Belastung, die maximal mögliche Leistungsabgabe, etc. Die Kontrolleinrichtung kann auch das Oberwellenerfassungsmittel und die adaptive Kontrolleinrichtungskomponente umfassen.
Unter einem Oberwellenerfassungsmittel wird eine Einrichtung verstanden, welche in der Lage ist, den Anteil nichtlinearer Verzerrungen im Strom- und/oder Spannungsverlauf eines Versorgungsnetzes und damit auch den Wirkleistungsanteil bzw. den Blindleistungsanteil im Versorgungsnetz mathematisch zu erfassen.
Unter einer adaptiv wirkenden Kontrolleinrichtungskomponente wird eine Einrichtung verstanden, welche einen Kompensationsfaktor ermittelt, mittels dessen die Güte der aktiven Filterung abhängig von der erforderlichen und der zur Verfügung stehenden Energie (aktuelles Leistungsvermögen des Wechselrichters und/oder Zustand des Gleichspannungszwischenkreises) einstellbar ist. Durch diese Maßnahme kann eine geringere Filtergüte zugunsten einer erhöhten Leistungsanforderung einer am Wechselrichter angeschlossenen DC-Last eingestellt werden. Zwischen den zwei Betriebsarten „Versorger" und „Filter" lässt sich damit ein praktisch stufenloser Übergang herstellen.
Unter der Angabe „nach Maßgabe der Auslastung des Wechselrichters" ist eine vom momentanen Auslastungsgrad/Belastungsgrad des Wechselrichters als Versorger abhängige Regulierung der Kompensationsleistung zu verstehen.
Das erfindungsgemäße aktive Filter hat demnach zwei mögliche Betriebsarten. Eine erste Betriebsart als Netzfilter zur Kompensation nichtlinearer Verzerrungen und eine zweite
Betriebsart als Versorger' für eine gleichspannungszwischenkreisseitig angeschlossene Last.
Beide Betriebsarten können parallel oder alternativ mit unterschiedlicher Intensität aktiv sein.
Aufgrund der Tatsache, dass die erforderliche Kompensationsleistung nach Maßgabe der
Auslastung des Wechselrichters und des adaptiv ermittelten Verstärkungsfaktors in einen Kompensationsstromsollwert transformiert wird, wird der Kompensationsgrad regulierbar und individuell einstellbar. Somit ist auch gleichzeitig die Betriebsart des Netzrückwirkungsfilters als Spannungsversorgungseinrichtung (Versorger) oder Filter abhängig von den durch eine nichtlineare Last erzeugten Oberwellen möglich. Damit ist sowohl die Funktion einer Leistungsversorgung als auch die Funktion eines Netzfilters erfüllt, wobei abhängig von den erforderlichen Energiereserven ein optimaler Arbeitspunkt bezüglich der Betriebsarten Versorger/Filter einstellbar ist.
Besonders bevorzugt wird mittels des zuvor genannten Netzrückwirkungsfilter die Kompensationsleistung sowie ggf. zusätzlich der Leistungsbedarf Pdc einer am Wechselrichter angeschlossenen DC-Last am Eingang eines Stromtransformators berücksichtigt und mittels des Stromtransformators in Kompensationsstromsollwerte (l*q,l*d) transformiert. Die in dieser Verarbeitungsstufe erfolgende Transformation der Leistungen in Ströme hat den Vorteil, dass die Größen, auf die der Verstärkungsfaktor einwirkt, und auch der Ausgang des Spannungsreglers, unabhängig von der Netzspannungshöhe sind. Es kann bis zu diesem Punkt auf Leistungsebene gerechnet werden.
Es handelt sich bei der Gleichspannung UDc um eine vom Wechselrichter erzeugte Zwischenkreisgleichspannung, an der in der Regel eine mit Gleichspannung zu speisende Last angeschlossen ist. Durch die so realisierte Berücksichtigung der anschließbaren Last ist es möglich einer der Betriebsarten des Wechselrichters (Versorger und/oder Filter) den Vorrang zu geben, so dass eine lastabhängige Betriebsartwahl daraus resultiert. Sind beispielsweise große Nichtlinearitäten zu kompensieren, wäre der Filterbetriebsart der Vorrang zu gewähren, vorausgesetzt es steht noch genügend Leistung zur Versorgung weiterer Lasten zur Verfügung.
Ganz besonders bevorzugt ist von dem erfindungsgemäßen Netzrückwirkungsfilter eine Stromregelung umfasst, insbesondere eine Pl-Stromregelung mit Dead-Beat-Verhalten. Der Vorteil bei Verwendung des Dead-Beat-Verhaltens gegenüber des reinen Pl-Verhaltens ist die schnellere Einstellung der Ströme und somit eine genauere Einstellung der kompensierten Stromform.
Vorteilhafterweise umfasst ein erfindungsgemäßes aktives Netzrückwirkungsfilter einen
Spannungsregler, wobei dessen eingangsseitige Regeldifferenz aus einer am
Gleichspannungsausgang des Wechselrichters anliegenden Gleichspannung und einem Gleichspannungssollwert gebildet ist und wobei die Ausgangsgröße des Spannungsreglers einem Wirkleistungssollwert entspricht. Bei dem Regler kann es sich um einen Pl- Spannungsregler handeln. Es lässt sich somit einfach ein zwischenkreisseitiger Leistungssollwert aus der Zwischenkreisspannung ermitteln.
Vorzugsweise umfasst das Oberwellenerfassungsmittel eine Netzwechselspannung und Netzwechselströme und formt diese mittels der Clarke Transformation nach Maßgabe der Wirkleistungs-/Blindleistungstheorie (PQ-Theorie) in im dq - Koordinatensystem darstellbare Kompensationsleistungssollwerte pc, qc um. Die Eingangsgröße des Oberwellenerfassungsmittels kann ein 3-phasiger Versorgungsnetzstrom bzw. eine 3- phasige Versorgungsnetzspannung des Versorgungsnetzes sein, an dem eine nichtlineare Last angeschlossen ist und dessen Oberwellenanteile kompensiert werden sollen. Die ermittelten Korrekturleistungen ergeben in Summe mit der mit Oberwellen behafteten Versorgungsnetzleistung am Netzeinspeisepunkt eine sinusförmige Wirkleistung. Es ist damit eine Möglichkeit geschaffen, die zu kompensierende Leistung effizient und reproduzierbar mathematisch zu erfassen.
Besonders bevorzugt umfasst die adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente einen Regelkreis zur Berechnung des Verstärkungsfaktors, wobei der Verstärkungsfaktor als Steuerglied wirkt und den Anteil der Kompensationsleistung steuert. Die Güte, mit der eine Kompensation durchgeführt wird, ist unter anderem abhängig von der Performance des Regelkreises.
Ganz besonders bevorzugt lässt sich die Kompensation in ihrer Intensität zwischen einem Zustand ohne Kompensation (Vorrichtung im Versorgerbetrieb) und einem Zustand maximal möglicher Kompensation (Versorgung im Filterbetrieb) oder einem innerhalb des zuvor genannten Zustandsbereiches liegenden Teilbereiches praktisch stufenlos regulieren. Das erfindungsgemäße Netzrückwirkungsfilter lässt sich somit stufenlos zwischen den beiden Betriebsarten Filter und Versorger je nach Lastverhältnissen regulieren.
Vorteilhafterweise wird der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit vom Quadrat des Wechselrichtermaximalstromes und vom Quadrat der Kpmpensationsstromsollwerte basierend auf folgender Entscheidung ermittelt ε =ym ~^d +*q )) >0 - Aufgrund der vektoriellen Berechnung und Berücksichtigung der Gesamtvektorlängen durch die Erhebung der Ströme in die zweite Potenz wird eine Überschreitung des Wechselrichtermaximalstromes vermieden. Zu weiteren Optimierungszwecken des Verhaltens der Anordnung im realen Betrieb werden bei der Berechnung des Verstärkungsfaktors zusätzliche Einflussfaktoren, insbesondere das thermische Verhalten des Wechselrichters, berücksichtigt und vorteilhafterweise wird der Verstärkungsfaktor abhängig von einer am Wechselrichter anschließbaren Last ermittelt, so dass während des Filterbetriebes eine Grundlastkompensation und/oder eine Spitzenlastkompensation für diese Last realisierbar ist.
Nach Maßgabe der Größe der nichtlinearen Netzlast ist damit definierbar, ob und/oder mit welcher Intensität eine von der Netzoberwellen leistung abhängige Kompensation erfolgt. Je nach Art des Netzes, den Vorgaben des Energieversorgers oder aber den Richtlinien der angeschlossenen Verbraucher kann somit flexibel reagiert werden.
Eine weitere Möglichkeit die Aufgabe zu lösen besteht darin, dass ein Eingangs erwähntes aktives Netzrückwirkungsfilter, insbesondere mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften, als Slave einem Master in Form einer zentralen Kontrolleinrichtung (9) zuordenbar ist und ein
Eingang und/oder Ausgang zur Verbindung mit dem Master umfasst ist, wobei mittels des
Eingangs ein Kompensationsleistungssollwert empfangbar ist. Das aktive
Netzrückwirkungsfilter wäre damit autark oder in einem Verbund von aktiven Netzrückwirkungsfiltern zentral gesteuert zu betreiben.
Der Ausgang dient zur Übermittlung von statischen und/oder dynamischen Gerätedaten des Wechselrichters an den die zentrale Kontrolleinrichtung, um dort der für den Wechselrichter passende und individuelle Kompensationsleistungsanteile zu errechnen. Mittels des Ausgangs sind wechselrichterspezifische Daten, insbesondere Daten bezüglich der Leistungsfähigkeit und/oder Auslastung/Belastung des Wechselrichters sowie der Gleichspannungszwischenkreisleistung Pdc, an den. Master übertragbar.
Weiter umfasst die Erfindung eine zentrale Kontrolleinrichtung, welche als Master einem Slave in Form eines erfindungsgemäßen aktiven Netzrückwirkungsfilters zuordenbar ist und ein Eingang und/oder Ausgang zur Verbindung mit einem Slave umfasst ist, wobei mittels des Ausgangs Kompensationsleistungssollwerte übertragbar sind. Eine Kontrolleinrichtung kann damit mehrere aktive Netzfilter steuern. Vorteilhafterweise können mittels des Eingangs wechselrichterspezifische Daten, insbesondere Daten bezüglich der Leistungsfähigkeit und/oder Auslastung/Belastung des Wechselrichters, vom Slave empfangen werden. Es sind dann leistungsabhängige individuelle Berechnungen möglich, welche zyklisch wiederholt werden können.
Besonders bevorzugt umfasst die zentrale Kontrolleinrichtung ein Oberwellenerfassungsmittel, wobei dieses eine von der Netzoberwellenleistung abhängige Kompensationsleistung ermittelt und eine bezüglich des Kompensationsleistungsbedarfes adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente zur Ermittlung eines Verstärkungsfaktors umfasst ist, wobei die Kompensationsleistung nach Maßgabe der Auslastung/Belastung des Wechselrichters und des Verstärkungsfaktors als Kompensationsleistungssollwert dient. Die Vorteile ergeben sich aus den Ausführungen zum aktiven Netzrückwirkungsfilter mit integrierter Kontrolleinrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Versorgungsnetz umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes aktives Netzrückwirkungsfilter und/oder eine zentrale Kontrolleinheit. Es wird hier auf die bereits genannten Vorteile verwiesen.
Bevorzugt handelt es sich bei der nichtlinearen Last um ein Antriebssystem, insbesondere ein Antriebssystem mit weiteren elektrischen Komponenten. Speziell bei diesen Systemen treten aufgrund der Verwendung nichtlinearer Bauteile nichtlineare Verzerrungen auf.
Bezugszeichenliste:
Wechselrichter
Kontrolleinrichtung
Oberwellenerfassungsmittel a Stromregler b Stromtrahsformator
Adaptiver Controller
Verstärkungsfaktor
DC-Last
Pl-Regler
Master Controller 0 Nichtlineare Last 1 Netzinterface 2 Versorgungsnetz 3 Aktives Netzrückwirkungsfilter 4 Verbindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Beispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Kontrollschema für einen aktiven Netzrückwirkungsfilter mit Peripherie; Figur 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Versorgungsnetzes mit zentraler Kontrolleinrichtung und mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen; Figur 3 ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung des Verstärkungsfaktors.
In Figur 1 sind ein Wechselrichter 1 mit DC-Last 7 und eine Kontrolleinrichtung 2 gezeigt. Die Kontrolleinrichtung 2 umfasst insbesondere einen Stromregler 4a, einen Spannungstransformator 4b, ein Oberwellenerfassungsmittel 3, einen adaptiven Controller 5, einen Pl-Regler 8 und einen Verstärkungsfaktor Kc 6. Der Kontrolleinrichtung 2 wird der gemessene Wechselrichternetzstrom ls nach Passage des Netzinterfaces 11 , der Versorgungsnetzstrom IL der nichtlinearen Last und die Versorgungsnetzspannung UN zugeführt. Am Versorgungsnetz 12 ist außerdem eine nichtlineare Last 10 angeschlossen . IL stellt den verzerrten Strom der nichtlinearen Last 10 dar und Is stellt den Wechselrichterausgangsstrom dar. I8 beinhaltet die Stromdifferenz, welche nötig ist, um aus dem verzerrten Strom IL einen sinusförmigen Netzstrom IN ZU formen.
Steuert man den Wechselrichter 1 in geeigneter Form an, indem man als Messgröße die Stromaufnahme IL der nichtlinearen Last 10 benutzt, so ist man in der Lage den versorgungsnetzseitigen Strom zu jeder Zeit so zu beeinflussen, dass ein mehr oder weniger sinusförmiger Netzstrom IN auftritt. Aufgrund der Erweiterung des Wechselrichters 1 um eine solche Strommessung und die entsprechenden Regelalgorithmen kann man von einem aktiven Netzfilter 13 sprechen. Aktiv auch deshalb weil die Filterung nicht nur auf klassischen Tiefpassfiltern mit Induktivitäten (L) und Kapazitäten (C) beruht.
Das aktive Netzrückwirkungsfilter 13 umfasst unter anderem einen voll funktionsfähigen Wechselrichter 1 , so dass es möglich ist durch geeignete, in der Kontrolleinrichtung 2 ablaufende Regelalgorithmen zwischen den ' Betriebsarten „Filterbetrieb" und „Versorgerbetrieb" zu wechseln bzw. diese gleichzeitig oder separat zu aktivieren. Grundsätzlich berechnet der Regelalgorithmus die Stromsollwerte jeweils für Wirkleistungen und Blindleistungen. Diese werden benötigt, um die Einwirkungen einer nichtlinearen Last vollständig zu kompensieren. Begrenzt wird dieses Kompensationsvermögen durch die Stromgrenze bzw. die Leistungsfähigkeit des aktiven Filters. Das Oberwellenerfassungsmittel 3 ermittelt eine von der versorgungsnetzseitigen Netzoberwellenleistung abhängige Kompensationsleistung mit dem Wirkanteil pc und dem Blindanteil qc. Die bezüglich des Kompensationsleistungsbedarfes adaptiv wirkende Komponente 5 dient zur Ermittlung des Verstärkungsfaktors 6. Die errechnete Kompensationsleistung pc, qc wird nach Maßgabe der Leistungsfähigkeit und/oder der Auslastung/Belastung des Wechselrichters 1 mittels des Verstärkungsfaktors 6 in Form der adaptiven Kompensationsleistungswerte p*c und q*c weitergeleitet, welche von dem Stromtransformator 4b unter Berücksichtigung des Wirkleistungssollwertes Pdc in die Kompensationsstromsollwerte l*q, l*d transformiert und dem adaptiven Controller 5 zugeführt werden. Aus diesen Kompensationsstromsollwerten l*q, l*d und dem erfassten Wechselrichternetzstrom I3 (Berücksichtigung des Wirk- und Blindanteils nach Clark-dq- Transformation) wird eine Regeldifferenz gebildet und zu Kompensationszwecken mittels der Stromregelung 4a dem Wechselrichter 1 die entsprechenden Spannungssollwerte Uq und Ud zugeführt. Um den Leistungsbedarf der DC-Last 7 bei Filterbetrieb zu berücksichtigen, erfolgt die Zuführung der Kompensationsstromsollwerte l*q, l*d in Abhängigkeit von der Belastung der Versorgungsgleichspannung UDc, welche am Gleichspannungsausgang des Wechselrichters 1 anliegt. Um UDc mit einzubeziehen, ist ein Spannungsregler 8 umfasst, dessen eingangsseitige Regeldifferenz aus einer der Gleichspannung UDc und einem Gleichspannungssollwert U* Dc gebildet wird und dessen Ausgangsgröße dem Wirkleistungssollwert Pdc entspricht. Zu dem Kompensationsleistungssollwert p*c wird der gebildete Wirkleistungssollwert praktisch Pdc hinzuaddiert.
Das in Figur 2 gezeigte Versorgungssystem umfasst ein Versorgungsnetz 12 und mehrere erfindungsgemäße aktive Netzrückwirkungsfilter 13 mit Peripherie 10, 1 1. Das aktive Netzrückwirkungsfilter 13 umfasst wie aus den vorherigen Erläuterungen schon bekannt einen Wechselrichter 1 und eine Kontrolleinrichtung 2. Die dargestellte Unterbrechung des Versorgungsnetzes 12 soll andeuten, dass noch eine Vielzahl von weiteren aktiven Netzrückwirkungsfiltern 13 am Versorgungsnetz 12 angeschlossen sein könnten. Unter den Begriff Peripherie fällt beispielsweise das Netzinterface 11. Eine nichtlineare Last 10 und eine zentrale Kontrolleinheit (Master Controller) 9 sind ebenfalls dargestellt. Zwischen den Kontrolleinrichtungen 2 der aktiven Netzrückwirkungsfilter 13 und dem Master Controller 9 sind bidirektionale und/oder unidirektionale Verbindungen 14 angeordnet. Somit kann der Master Controller 9 mit den als Slave ausgebildeten Kontrolleinrichtungen 2 kommunizieren. Mittels dieser Verbindung 14 ist es beispielsweise möglich Kompensationsleistungssollwerte p*c, q*c vom Master Controller 9 an die Kontrolleinrichtungen 2 zu übertragen. Dieser wird dann mittels eines dezentralen und vom aktiven Netzrückwirkungsfilter 13 umfassten Stromtransformators 4b in Kompensationsstromsollwerte l*q, l*d transformiert. Ein Stromregler 4a nutzt diese Kompensationsstromsollwerte Tq1 l*d zur Erzeugung der Spannungssollwerte Uq, Ud, welche dem Wechselrichter 1 zu Kompensationszwecken zugeführt werden. Vorzugsweise findet diese Stromtransformation und Stromregelung in der Kontrolleinrichtung 2 statt (siehe Figur 1).
Der Master Controller 9 wiederum kann mittels der Verbindung 14 wechselrichterspezifische Daten, insbesondere Daten bezüglich der Leistungsfähigkeit und/oder der Auslastung/Belastung der Wechselrichter 1 empfangen und verwerten. Die zentrale Kontrolleinrichtung 9 bzw. der Master Controller 9 umfasst ein Oberwellenerfassungsmittel 3. Dieses ermittelt die von der Netzoberwellenleistung abhängige Kompensationsleistung pc qc wie bereits schon zuvor beschrieben, wobei in einer bezüglich , des Kompensationsleistungsbedarfes adaptiv wirkenden Kontrolleinrichtungskomponente 5 ein Verstärkungsfaktor 6 (Kc) ermittelt wird, welcher nach Maßgabe der individuellen Leistungsfähigkeit bzw. Auslastung anhand der mittels der Verbindung 14 empfangenen Daten des Wechselrichters die erforderliche Kompensationsleistung für den Wechselrichter bestimmt.
Die nichtlineare Last 10 könnte beispielsweise ein Antriebssystem, insbesondere ein Antriebssystem mit weiteren elektrischen Komponenten, sein. Keineswegs ist aus Figur 2 abzuleiten, dass nur eine einzige nichtlineare Last 10 vom Versorgungsnetz gespeist werden kann. Die nichtlineare Last 10 steht vielmehr repräsentativ für parallel und/oder in Reihe geschaltete ggf. weitere nichtlineare Lasten. Die Kombination der nichtlinearen Lasten 10 erzeugt ein für diese Anordnung spezifisches Oberwellenbild. Dieses Oberwellenbild wird vom Master Controller 9 erfasst, um es ganz gezielt zu beeinflussen.
Zusammenfassend ist unter Verwendung einer zentralen Kontrolleinrichtung 9 eine vollständige oder teilweise und dynamisch angepasste Kompensation der Oberwellen des Versorgungsnetzes 12 mittels mehrerer Wechselrichter 1 möglich, wobei die Leistungsreserven/Auslastung/Belastung der zur Verfügung stehenden Wechselrichter 1 berücksichtigt wird. Ein Anwendungsbeispiel hierzu wäre z.B. eine Fertigungsinsel innerhalb einer Fertigungsstraße mit mehreren Antriebssätzen bestehend aus aktiven Netzrückwirkungsfiltern 13, welche wegen des Wechselrichters 1 auch als rückspeisefähige Versorger arbeiten können, wobei es sich bei den DC-Lasten um Achswechselrichter und Motoren handeln kann. Die nichtlinearen Lasten 10 könnten bei diesem Beispiel aus Versorgungsgeräten in Einspeisetechnik (Gleichrichterbrücken) und angeschalteten Achswechselrichtern bestehen, sowie weiteren nicht näher spezifizierten Verbrauchern. Je nach Anforderung ist die Anlage somit teils mit Versorgungsgeräten in Einspeisetechnik (nichtlineare Last wegen Gleichrichterbrücke) und in Rückspeisetechnik (Wechselrichter und somit arbeitsfähig als Versorger oder aktives Filter) ausgerüstet.
Die adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente 5 aus Figur 1 (in Figur 2 umfasst vom Master Controller Block 9) umfasst einen Regelkreis zur Berechnung des
Verstärkungsfaktors 6, wobei der Verstärkungsfaktor 6 wie in Figur 1 dargestellt mittels des
Pfeils angedeutet als Steuerglied wirkt und den zur Bildung der Regeldifferenz am Eingang des Stromtransformators 4b erforderlichen Anteil der Kompensationsleistungen pc und qc steuert. Nach Multiplikation mit dem Verstärkungsfaktor stehen die adaptierten Kompensationsleistungen p*c, q*c zur Verfügung. Der Kompensationsstrom l*q,l*d kann dadurch mittelbar mittels des Verstärkungsfaktors 6 in seiner Intensität geregelt werden.
Der Verstärkungsfaktor 6 wird in Abhängigkeit vom Quadrat des zulässigen Wechselrichtermaximalstromes (Imax) und vom Quadrat der Kompensationsstromsollwerte l*d, l*q basierend auf folgender Entscheidung ermittelt ε = \i^ ~iid +i q )) > 0 • Näheres zur Ermittlung des Verstärkungsfaktors 6 zeigt Figur 3.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm/Flussdiagramm zur Berechnung des Verstärkungsfaktors 6 (Kc). Dieses Diagramm ist dadurch gekennzeichnet, dass formelhaft definierte Entscheidungen mittels rautenförmiger Symbole und Anweisungen mittels rechteckiger Symbole dargestellt werden. Die Begriffe „True" und „False" geben an, ob eine zugrunde liegende Entscheidung (Raute) erfüllt ist oder nicht. Abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs findet eine Verzweigung statt. Der Begriff „End" bedeutet, dass der Algorithmus bis zum nächsten Berechnungsintervall verlassen wird. Zunächst seien jedoch die in Figur verwendeten Variablen bzw. Begriffe kurz definiert.
Der adaptive Verstärkungsfaktor K0 steuert den Anteil der berechneten Kompensationsleistungswerte pc, qc, die für die aktive Netzfilterung benutzt werden. Ein Faktor K0 von 0 bedeutet in diesem Beispiel keine aktive Netzfilterung, ein Faktor von 1 bedeutet in diesem Beispiel eine vollständige Netzfilterung. Folglich sollte der Verstärkungsfaktor 6 (K0) in folgendem Bereich liegen: 0 < Kc ≤ 1. Der adaptive
Verstärkungsfaktor 6 (K0) wird abhängig von£ zyklusartig gemäß des Ablaufdiagramms mittels der Kontrolleinrichtung 5 immer wieder neu berechnet.
Kc(k) kennzeichnet den aktuellen Wert sowie Kc(k-i) den Wert der vorhergehenden Berechnung.
I4 Cl1 l*q stellen die unter Berücksichtigung des Versorgungsnetzphasenwinkels φ im Stromtransformator 4b errechneten Kompensationsstromsollwerte dar, welche in einem orthogonalen dq-Koordinatensystem darstellbar sind. Die Eingangsgrößen des Stromtransformators p*c und q*c liegen bereits im dq-System vor. Die Berücksichtigung der Netzspannung UN erfolgt mittels eines in ein αß-System transformierten (Transformation eines Dreiphasensystems mit den Phasen a,b,c in ein Zweiphasensystem mit den Phasen α, ß) Netzspannung UN. Ua,b,c steht entsprechend für die drei Phasen der Netzspannung UN. Die Umrechnung wird mittels folgender Berechnung durchgeführt. Für weitere Details zur αß- Transformation sei auf die einschlägige Fachliterator verwiesen.
mit p = (p*c + Pdc) und q = q*c (siehe die dem Stromtransformator 4b aus Figur 1 zugeführte Regeldifferenz) folgt:
Wobei sich l*d und l*q schließlich errechnet zu:
l*d = iα * cos φ + iß * sin φ l*q = -iα * sin φ + iß * cos φ
Der aktuell mögliche Maximalstrom lmax des Wechselrichters gilt für die vektorielle Summe der Ströme in dq-Richtung. Per Definition entspricht die d-Komponente dem Wirkanteil. Der aktuell mögliche Maximalstrom des Konverters |2max (vektorielle Addition) wird von einer externen Quelle bereitgestellt und kann im einfachsten Fall ein Festwert sein. Eine weitere Möglichkeit wäre die Bereitstellung mit Hilfe eines thermischen Modells der PWM-Endstufe.
Durch den Vergleich von |2max mit den Kompensationsstromsollwerten I*^ l*q wird festgestellt, wie stark der Wechselrichter ausgelastet ist. Durch die Benutzung der momentanen Auslastung lässt sich eine Strategie ableiten wie sich der Wechselrichter für die nächsten Zeitintervalle verhalten soll.
Die aktuelle Stromreserve ε für aktive Filterung wird berechnet aus der geometrischen Subtraktion der Ströme lmax und 1*^ l*q -
In der aktuell beschriebenen Ausführung wird der Verstärkungsfaktor (6) K0 mittels eines diskreten Proportionalreglers berechnet. Der Proportionalverstärkungsfaktor λ dient zur Einstellung der Regelkreisverstärkung.
In dem Falle, dass die aktuelle Stromreserve ε > 0 ist, d.h. es kann Strom für den Betriebsmodus "Aktive Netzfilterung" bereitgestellt werden, wird der Regler aufgesteuert und der adaptive Verstärkungsfaktor Kc erhöht. Wenn der Grenzwert von Kc = 1 erreicht ist, so wird er auf diesen Wert begrenzt.
In dem Fall dass die aktuelle Stromreserve ε < 0 ist, d.h. es kann kein Strom für den Betriebsmodus "Aktive Netzfilterung" bereitgestellt werden, wird der Regler abgesteuert und der adaptive Verstärkungsfaktor (6) K0 verringert. Wenn der untere Grenzwert von K0 = 0 erreicht ist, wird er auf diesen Wert begrenzt.
Im Grenzfall K0 = 0 werden die Kompensationsstromsollwerte zu Null gesetzt. Der Stromanteil aus der Spannungsregelung für Upjc ist davon aber nicht beeinflusst. Nur bei K0 = 0 ist daher eine zusätzliche Berechnung vorgesehen, bei der anteilig die Stromsollwerte l*d, l*q aus der normalen Versorgerregelung begrenzt werden. Da die einzelnen Vektorlängen bestimmend sind, muss diese Begrenzung vektoriell durchgeführt werden.
Da der Anteil Zwischenkreisleistung Pdc nicht mit dem Verstärkungsfaktor K0 multipliziert wird, hat die Bereitstellung von Wirkleistung und somit die Betriebsart der gesamten Vorrichtung als Versorger stets Vorrang gegenüber der Betriebsart als aktiver Versorgungsnetzfilter.
Hierbei entsteht die Problematik, dass auch bei nicht vorhandener Wirkleistungsanforderung durch die aktive Filterung die PWM-Endstufe bereits thermisch ausgelastet sein kann. Der aktuell mögliche Maximalstrom des Konverters l2 max würde durch die thermische Auslastung zurückgehen, somit auch das Filtervermögen. Bei einer jetzt einsetzenden
Wirkleistungsanforderung müssten die Kompensationsstromsollwerte abgesenkt werden. Der für die geforderte Wirkleistung frei werdende Strom wäre nun eventuell nicht mehr ausreichend aufgrund der thermisch bedingten Reduzierung von l2 max Um auch diesen Fall abzudecken, kann der aktuell mögliche Maximalstrom des Konverters l2 max um den vorher zu definierenden Strom l2 dcmaχ reduziert werden. Die Höhe von l2 dCmax kann für den jeweiligen Anwendungsfall vorbestimmt werden, je nach zu erwartender Last, bzw. Leistungsvermögen des Wechselrichters. Somit kann im voraus immer eine Wirkleistungsreserve belegt werden, die nicht durch die thermische Belastung im Filterbetrieb unterschritten werden kann.
Durch entsprechende Umstellung des Begrenzungsalgorithmus (Fig. 3) und Anordnung des Faktors K0 im Bereich von Pdc kann das Wirkprinzip umgekehrt werden. Somit wäre es möglich dem Betrieb als aktiver Filter den Vorrang zu geben, natürlich auf Kosten der Energiebereitstellung als Versorger. Es ist auch möglich bei der Berechnung des Verstärkungsfaktors 6 (Kc) zusätzliche Einflussfaktoren, insbesondere das schon erwähnte thermische Verhalten zu berücksichtigen. Grundsätzlich greifen diese Faktoren an dem Vorgabewert l2 max an.
Es wäre zudem möglich die Kontrolleinrichtungskomponente 5 so auszulegen, dass bis zu einer frei definierbaren nichtlinearen Lastgröße 10 immer optimal gefiltert wird. Dies hätte zur Folge, dass der Wechselrichter 1 immer mit einer Grundbelastung aufgrund der Kompensation von nichtlinearen Verzerrungen im Versorgungsnetz 12 als Filter und Versorgungsgerät am Versorgungsnetz 12 arbeitet. Seltenere Spitzenbelastungen würden dann teilkompensiert. Andererseits kann man sich vorstellen, dass gerade bei niedrigen nichtlinearen Lasten am Versorgungsnetz 12 die Kompensation vollständig unterbleibt, um ausschließlich bei hohen, nichtlinearen Spitzenlasten zu kompensieren. Eine solche Anordnung ließe sich durch eine speziell ausgestaltete Steuerkennlinie realisieren. Je nach Kurvenform der Steuerkennline s ergibt sich p*c,q*c aus s(pc,qc) x pc.qc. Im Bild entspricht pc' = pc* und qc' = qc*.
Die Steuerkennlinie kann hinter dem Oberwellenerfassungsmittel 3 eingefügt werden und wirkt wie ein zusätzlicher nichtlinearer Verstärkungsfaktor.

Claims

Patentansprüche:
1. Aktives Netzrückwirkungsfilter mit einem Wechselrichter (1), einer Kontrolleinrichtung (2) und einem Oberwellenerfassungsmittel (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwellenerfassungsmittel (3) eine von der Netzoberwellenleistung abhängige Kompensationsleistung (pc, qc) ermittelt und eine bezüglich des Kompensationsleistungsbedarfes adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente (5) zur Ermittlung eines Verstärkungsfaktors (6) umfasst ist, wobei die Kompensationsleistung (pc, qc) nach Maßgabe der Auslastung des Wechselrichters (1 ) und/oder des Verstärkungsfaktors (6) dem Wechselrichter (1) zugeführt wird.
2. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach Anspruch 1 , wobei die Kompensationsleistung (pc, qc) mittels* eines Stromtransformators (4b) in einen Kompensationsstromsollwert (l*q,l*d) transformiert wird.
3. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach Anspruch 2, wobei die Belastung einer am Gleichspannungsausgang des Wechselrichters(i) messbaren Gleichspannung (UDc) mittels eines Wirkleistungssollwertes (Pdc) bei der Stromtransformation (4b) berücksichtigt wird.
4. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Stromregelung (4a) umfasst ist, vorzugsweise eine Stromregelung (4a) mit PI und Dead- Beat- Verhalten.
5. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Spannungsregler (8) umfasst ist, wobei dessen eingangsseitige Regeldifferenz aus einer am Gleichspannungsausgang (UDc) des Wechselrichters (1) anliegenden Gleichspannung (UDc) und einem Gleichspannungssollwert (U* Dc) gebildet ist und wobei die Ausgangsgröße des Spannungsreglers (8) einem Wirkleistungssollwert (Pdc) entspricht.
6. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Oberwellenerfassungsmittel (3) zumindest eine Netzwechselspannung (UN) und/oder einen Lastwechselstrom (IL) erfasst und mittels der Clarke Transformation umformt und nach Maßgabe der Wirkleistungs-/Blindleistungstheorie (PQ-Theorie) die im dq - Koordinatensystem darstellbaren Kompensationsleistungssollwerte (pc, qc) ermittelt.
7. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente (5) einen Regelkreis zur Berechnung des Verstärkungsfaktors (6) umfasst.
8. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kompensationsleistung (pc, qc) in ihrer Intensität regulierbar ist.
9. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verstärkungsfaktor (6) in Abhängigkeit vom Quadrat des Wechselrichtermaximalstromes (Imax = imax) und vom Quadrat der Kompensationsstromsollwerte (l*d = i*d, l*q = i*q) basierend auf folgender Entscheidung ermittelt wird ε=yτm ~(ßd +iq )) >0.
10. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei der Berechnung des Verstärkungsfaktors (6) zusätzliche Einflussfaktoren, insbesondere das thermische Verhalten des Wechselrichters (1), berücksichtigt werden.
11. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verstärkungsfaktor (6) abhängig von einer am Wechselrichter (1) anschließbaren Last (7) ermittelt wird, so dass während des Filterbetriebes gleichzeitig eine Grundlastkompensation und/oder eine Spitzenlastkompensation für das Versorgungsnetz (12) realisierbar ist.
12. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei nach Maßgabe der Größe einer am Versorgungsnetz (12) angeschlossenen nichtlinearen Netzlast (10) definierbar ist, mit welcher Intensität eine Kompensation erfolgt.
13. Aktives Netzrückwirkungsfilter, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Slave einem Master in Form einer zentralen Kontrolleinrichtung (9) zuordenbar ist und ein Eingang und/oder Ausgang zur Verbindung (14) mit dem Master (9) umfasst ist, wobei mittels des Eingangs ein Kompensationsleistungssollwert (p*c, q*c) empfangbar ist.
14. Aktives Netzrückwirkungsfilter nach Anspruch 13, wobei mittels des Ausgangs wechselrichterspezifische Daten, insbesondere Daten bezüglich der Leistungsfähigkeit und/oder Auslastung/Belastung des Wechselrichters, an den Master (9) übertragbar sind.
15. Zentrale Kontrolleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Master (9) einem Slave in Form eines aktiven Netzrückwirkungsfilters (13) nach Anspruch 13 oder 14 zuordenbar ist und ein Eingang und/oder Ausgang zur Verbindung (14) mit dem Slave (13) umfasst ist, wobei mittels des Ausgangs ein Kompensationsleistungssollwert (p*c, q*c) übertragbar ist.
16. Zentrale Kontrolleinrichtung nach Anspruch 15, wobei mittels des Eingangs wechselrichterspezifische Daten, insbesondere Daten bezüglich der Leistungsfähigkeit und/oder Auslastung/Belastung des Wechselrichters, vom Slave (13) empfangbar sind.
17. Zentrale Kontrolleinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei diese ein Oberwellenerfassungsmittel (3) umfasst, wobei dieses eine von der Netzoberwellenleistung abhängige Kompensationsleistung (pc, qc) ermittelt und eine bezüglich des Kompensationsleistungsbedarfes adaptiv wirkende Kontrolleinrichtungskomponente (5) zur Ermittlung eines Verstärkungsfaktors (6) umfasst ist, wobei die Kompensationsleistung nach Maßgabe der Auslastung/Belastung des Wechselrichters (1) und des Verstärkungsfaktors (6) als Kompensationsleistungssollwert (p*c, q*c) dient.
18. Versorgungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein aktives Netzfilter (13) nach ' einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14 und/oder eine zentrale Kontrolleinrichtung (9) nach einem der Ansprüche 15 bis 17 umfasst.
19. Versorgungsnetz nach Anspruch 18, wobei als nichtlineare Last (10) ein Antriebssystem, insbesondere ein Antriebssystem mit weiteren elektrischen Komponenten, umfasst ist.
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