EP3759809A1 - Elektrisches koppeln eines ersten elektrischen netzes mit einem zweiten elektrischen netz - Google Patents

Elektrisches koppeln eines ersten elektrischen netzes mit einem zweiten elektrischen netz

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EP3759809A1
EP3759809A1 EP19727865.8A EP19727865A EP3759809A1 EP 3759809 A1 EP3759809 A1 EP 3759809A1 EP 19727865 A EP19727865 A EP 19727865A EP 3759809 A1 EP3759809 A1 EP 3759809A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
operating mode
current
energy converter
energy
switching
Prior art date
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Pending
Application number
EP19727865.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Benesch
Harald Wiessmann
Franz Bauer
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens 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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3759809A1 publication Critical patent/EP3759809A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53875—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Definitions

  • the invention relates to an energy converter for electrically coupling a first electrical network with a second electrical network, with at least one switching element, and one with the at least one switching element electrically coupled ge control unit, which is designed to at least one switching element in a switching operation to betrei ben in that the energy converter provides a predefinable energy conversion functionality, and wherein the control unit is designed to set a network current for one of the networks as a function of a comparison of the network current with a predeterminable comparison current.
  • the invention further relates to an energy converter system for electrically coupling a first electrical network with a second electrical network, with at least two energy converters which can be connected to the first electrical network and to the second electrical network.
  • the invention further relates to a method for operating an energy converter that electrically couples a first electrical network to a second electrical network by the electrical converter converting electrical energy by means of at least one switching element, wherein the at least one switching element is operated in a switching operation such that Energy converter provides a given energy conversion funktionsfunktion gleich, and
  • a mains current for one of the networks is set as a function of a comparison of the mains current with a predetermined comparison current.
  • the invention relates to a Ver drive for operating an energy converter system, with which a first electrical network is electrically coupled to a second electrical network by means of at least two energy converters, which are each connected to the first electrical network and to the second electrical network.
  • Energy converters, energy converter systems with multiple energy converters and methods for their operation are widely known in the art, so it does not require a separate documentary evidence for this.
  • An energy giewandler is an electrical device that serves to electrically couple the first and the second electrical network in a predeterminable manner, so that energy can be exchanged between the first and the second electrical network.
  • the first or second elec- tric network may for example be a DC network or an AC voltage network, in particular a multi-phase AC network.
  • the energy converter as a rectifier, as a change judge, as a DC-DC converter or the like out forms.
  • Static energy converters are usually designed as a clocked electrical energy converter and wei sen for this purpose at least one Wandlerindukt disciplines and at least one switching element connected in a suitable manner with each other and are connected, for example, to the first and the second port through which the energy giewandler to the first and the second electrical network is connected, so that by operating the switching element in a suitable switching operation, the desired conversion function tion of the energy converter can be achieved.
  • a switching element in the sense of this disclosure is preferably a controllable electronic switching element, for example, a controllable electronic semiconductor switch such as a transistor, a thyristor, combination circuits thereof, preferably with parallel freewheeling the the, a gate turn-off thyristor (GTO), a Isolated gate bipolar transistor (IGBT), combinations thereof or der- same.
  • the switching element can also be formed by a field effect transistor, in particular a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
  • the at least one switching element is operated in the switching mode.
  • the switching path of the Transis sector is high impedance, that is, it provides a high electrical resistance rule, so even at high, at the
  • the first and the second connection are formed according to the respective electrical network to be connected, so that a proper coupling can be achieved.
  • the corresponding terminal of the energy converter has at least two connection poles in order to be able to connect the at least two electrical potentials of this electrical network.
  • a plurality of connection poles can be provided, so that the respective phases of the polyphase AC voltage network can be connected as intended.
  • the circuit structure of the energy converter is formed, which may also have two or more Wandlerinduktivi activities as needed, which are preferably not magnetically coupled with each other.
  • two or more switching elements can be provided, which by means of respective ger Wandlerinduktditeen are electrically coupled to provide the desired energy conversion functionality can.
  • the at least one switching element is coupled to the control unit.
  • the control unit may be formed as an electronic circuit, the corresponding control signals for the we least one switching element provides, so that the ge desired switching operation of the switching element can be realized.
  • the electronic circuit can in addition to electronic components for specifiable provision of the control signals and at least one program-controlled computing unit includes sen to provide the desired function of the control unit len len.
  • the control unit may finally consist of the computer unit.
  • the control unit is formed, the at least one
  • control unit is designed to set a mains current at one of the terminals as a function of a comparison of the mains current with a predeterminable comparison current.
  • the control unit thus provides a control functionality by means of which the mains current can be set in a predeterminable manner. This makes it possible, at that connection whose mains current is detected, to regulate this in a predeterminable manner.
  • a suitable current sensor or the like can be used for the game.
  • the current sensor may be included in the energy converter. However, it can also be provided that the energy converter has a connection for the current sensor, which is included for the case of game of the corresponding electrical network, which is to be charged with the regulated mains current.
  • Energy converter systems are also extensively in use. Energy conversion systems have at least two energy converters, which are suitably operated with each other, so that the energy conversion system, which also serves to electrically couple two electrical networks together, may provide a desired energy conversion functionality. It is usually envisaged that the energy converters are operated in a parallel operation.
  • the energy converters can be designed as explained above.
  • control unit for the at least one switching element be.
  • the energy converters, the energy conversion systems and also the processes for their operation have proven their worth. Nevertheless, especially in dynamic processes, for example, disturbances in one or both of the electrical networks as well as in a Akti four or disable one of the at least two energy converters in an energy converter system problems that affect the entire functionality if not so disturbing. It is now common in energy converter systems, galvanically decouple the parallel-connected energy converter via separation transformers. This should be avoided in dynamic processes, such as the activation or deactivation of a single energy converter, the Auftre th unwanted cyclic currents.
  • EP 3 297 150 A1 discloses a control of phase currents of parallel-connected inverters. But even the operation of a single inverter can be further improved. Depending on the method used to regulate the current, for example, limitations may occur with regard to dynamic control, robustness of the control, unfavorable system perturbations and high switching losses.
  • the invention is therefore based on the object verbes fibers to the operation of energy converters and energy conversion systems and to provide appropriate methods for their operation.
  • an energy converter As a solution with the invention, an energy converter, an energy converter system, a method for operating an energy gie converter and a method for operating a power converter system according to the independent claims schla conditions.
  • control unit is designed to provide a first operating mode for the switching operation for adjusting an electrical voltage to one of the networks by means of a PWM method depending on the comparison be, and a second operating mode for the
  • a difference between the mains current and the predetermined comparison current is greater than a first predetermined relative switching value and / or less than a second predetermined rela tive switching value.
  • a first operating mode is provided for the switching operation, in which an electrical voltage on one of the networks is dependent on the comparison by means of a PWM method is set, and a second mode of operation slimge is provided, wherein the switching element is switched when in the comparison, a difference between the mains current and the predetermined comparison current is greater than a first predetermined relative switching value and / or less than a second predetermined relative switching value ,
  • the invention is based on the idea that the operation of the energy converter or the energy converter system can be adjusted as desired by suitable selection of an operating mode to the entire functionality even in dynamic operations in relation to the electrical networks or also with respect to the activation or deactivation to improve one of the several energy converters of the energy converter system.
  • the invention uses the knowledge that the two operating modes allow the operation of the energy converter with different preferential properties. Depending on requirements, you can switch between the two operating modes. This makes it possible to reduce the aforementioned disadvantages of the prior art, if not completely overcome.
  • the energy converter has a first terminal for connection to the first electrical network, a second terminal for connection to the second electrical network and at least one converter inductance, wherein the at least one switching element is electrically coupled to the at least one transducer inductance, wherein the first and the second connection via the at least one transducer inductance and the at least one switching element are coupled to each other electrically GE.
  • the first mode of operation according to the invention provides for the use of a PWM method.
  • the acronym stands for pulse width modulation.
  • the PWM method can be used to control the grid current of the energy converter. It can also be called an indirect flow control method.
  • current regulation functionality preferably using a PI controller, is provided by calculating a terminal voltage or output voltage required for the desired utility current, which is then provided by the PWM method. In this method, therefore, the current is not immedi directly regulated, but by switching the terminal clamping voltage or the output voltage.
  • the second mode of operation refers to a direct regulatory procedure.
  • the current mains current is detected and evaluated, criztoswei se by a so-called actual Storm is determined, which can then be compared directly with a predetermined desired current or the United Gleichsstrom. Depending on this comparison, a respective switching state of the at least one switching element can then be determined and set.
  • the energy converter Since the energy converter is operated in clock mode, deviations from the comparison current occur regularly in both methods. In the first mode of operation by ent speaking readjusting the terminal voltage is trying to achieve the desired network current. In the second mode of operation, however, is provided to switch the at least one element Druckele then, if in the comparison, a difference between the detected mains current and the predetermined Ver Gleichsstrom is greater than a first predetermined switching value and / or less than a second predetermined switching value. Preferably, both the first and the second predetermined available switching value. They can be the same size. In addition, the first predefinable shift value is preferably greater than the second predefinable shift value if both shift values are present. The switching values may preferably be used to specify a distance from the comparison current.
  • the switching values are relative values based on the comparison current.
  • the switching values may be difference values of an absolute value with respect to the comparison value.
  • ripple current can be set in terms of its amplitude. This is not possible with the first operating mode, so that the ripples current can be correspondingly larger there.
  • the first operating mode compared to the second operating mode usually lower switching losses can be achieved. This must be observed for the design of the energy converter and the intended operation.
  • Both operating modes thus have their individual advantages and disadvantages.
  • the PWM method according to the first loading operating mode thus small switching losses, low overall distortion performance, cost-effective filter functions as well as a low-cost common-mode filter concept it can be enough.
  • the second operating mode allows a large dynamics and robustness with respect to the current control, and in energy conversion systems in particular an almost inde pendent operation of the individual energy converters, for example by different energy for the energy converters comparison currents can be specified as target values.
  • the characteristic difference between the first and the second operating mode is therefore in particular in the manner in which switching operations or the Wennbe operation of the at least one switching element determined relationship be executed.
  • the first operating mode is basically a target value for the terminal voltage, which has been previously determined, for example, by means of a particular di gitalen current controller.
  • Using a Re- chenvorschrift can then be determined by means of a PWM modulator, the corresponding switching operations for a predetermined switching period in advance, for example on the basis of tables, calculation rules or the like.
  • the desired terminal voltage can then result from a time average of stepwise switched individual voltages over a pulse period of the pulse width modulation.
  • the thus resulting gradual voltage curve then allows to approximate the mains current to the comparison current, but with a corresponding ripple current is superimposed, which can be smoothed in the Re gel by means of suitable filter measures.
  • the ripple current can be significantly dependent on an operating point and where appropriate also of disturbances, for example, a phase angle at an AC voltage , a mains voltage, an electromotive force of an electric machine and / or the like.
  • the Rip pelstrom can also be highly time-dependent.
  • the comparison current is used directly as current setpoint value.
  • a knowledge of the terminal voltage is not mandatory for this function principle. In this case, it preferably always follows a switching action when a deviation of the detected mains current or of the actual current value from the comparison current becomes too great. This mode of operation, moreover, allows switching operations in the future not to be determined beforehand.
  • the second mode of operation allows reacting directly to changes in the detected line current with respect to the comparison current, whereby the ripple current can assume a nearly uniform course compared to the first mode of operation and thus hardly dependent on the operating point and possibly occurring disturbance variables .
  • the invention thus provides a combination of the use of two different operating methods for operating the energy converter or the energy converter system re alinstrument, whereby the advantages of both modes of operation can be combined and thus new applications and loading operations can be achieved.
  • a cost-effective system of energy converters, output filters with high efficiency and, if required, highly dynamic and robust control can be achieved.
  • the invention thus makes it possible to be able to drive through network-side interference situations without significant overcurrent faults, in particular when the energy converter provides a network inverter whose functionality can be impaired by network faults.
  • the network disturbances can be caused for example by sudden changes in the mains voltage, by zimpedanzen Net or the like. In such disturbances, control based on the first mode of operation, for example, may become unstable, or provide too little dynamic, so that consequent errors may occur.
  • the invention also makes it possible to operate a network change judge as a robust power generator and as interruption-free island network generator in a power failure.
  • operation in the second operating mode allows a great robustness, but can also act as a source of electricity at the same time and is therefore rather disadvantageous in a stand-alone operation.
  • isolated mode it is advantageous if the energy converter can be operated as a voltage source, so the first mode of operation would be preferable here.
  • the second mode of operation would be hereby applicable only with relatively high cost in terms of measurement effort and computationally bezie applicable.
  • the invention also enables the so-called staging of energy converters, in particular inverters.
  • the number of acti fourth energy converter or inverter can be adapted to a currently required power, so that an opti mated efficiency provided and a lifetime of the energy converter system or inverter system formed thereby can be increased.
  • the control unit is further configured to switch between the first and the second operating mode during the intended operation of the energy converter.
  • an algorithm for condition monitoring and mode change can be provided, with which can be switched at any time between the loading operating modes or changed.
  • an automated adaptation of the energy converter or the energy converter system to jewei time conditions can be achieved.
  • terminal voltages at the first and / or at the second terminal as well as terminal currents at the first and / or at the second terminal can be detected and evaluated.
  • Switching may be dependent upon one or more conditions, such as staging the activation and / or deactivation of one or more inverters of an inverter system, the occurrence of a grid-side fault during operation of a single inverter, or an inverter. selrichter system, of switching losses and / or the like. It is also possible to monitor one or more parameters, for example circulating currents or the like, and, depending on a respective detected value, to carry out a change compared with a corresponding comparison value.
  • the first network is formed as DC voltage intermediate circuit and the mains current is that of the second Net Net.
  • the energy converter may be for this purpose in particular a DC-DC converter or DC / DC converter or an inverter or the like.
  • a change judge he can serve to compensate for a single-phase or a multi-phase AC voltage at the second port.
  • As a DC-DC converter it can provide a DC voltage at the second terminal.
  • control unit is out forms to perform a change from the first mode of operation in the second mode of operation unsynchronized.
  • this development uses that due to the high dynamics of the second mode of operation switching over or switching from the first mode of operation in the second mode of operation during the intended operation of the energy converter lers can be performed safely. It basically need to be considered no further operating conditions. Due to the detected boundary conditions, the control unit may decide that the change from the first to the second operating mode makes sense and executes it almost immediately or at a desired time.
  • control unit is designed to perform a change from the second operating mode to the first operating mode as a function of a clock state of the PWM method.
  • This reverse change from the second operating mode to the first operating mode can also be be carried out during normal operation.
  • the beginning of the clock state of the PWM method is calculated or optionally also delayed, for example until, for example, the ripple current is as small as possible during operation after the second operating mode.
  • the energy level is an inverter for an electric machine during engine operation, a virtually continuous torque profile can be achieved.
  • it is a line-level inverter, it can be achieved that no significantly increased harmonics or other unfortunate network perturbations occur. At least, however, this can be reduced.
  • control unit is designed to perform the change between the first mode of operation and the second mode of operation without interruption.
  • a nearly continuous operation of the energy converter can also be achieved during the changeover between the operating modes.
  • control unit has at least one integrator, wherein the control unit is further designed such that the integrator operating mode assumes a predeterminable integrator state in the second loading.
  • integrator for example a digital integrator, in order to reduce or avoid, in particular, permanent control deviations. If the second operating mode is activated, this integrator should at least be stopped.
  • Another possibility is to set the integrator to zero or to set by continuing calculation of integral components such that there is a ent speaking output voltage, so that a mains current can set as he is currently implemented with the second operating mode.
  • the mains current is detected discrete-time, and a sampling rate is set depending on the respective operating mode Be.
  • This development uses the knowledge that the sampling rate for the network to be recorded stream depending on the operating mode set who can. For the first mode of operation, it is usually sufficient if a sampling rate in a range of, for example, 5 kHz is selected. For the second operating mode, however, a higher sampling rate is recommended, which is for example at 100 kHz. If a time-discrete control is used for the mains current, setpoint voltages, for example as a space vector with magnitude and angle, can be calculated here, from which the PWM modulator can calculate the required switching operations for the respective subsequent PWM cycle.
  • the change takes place from the second operating mode to the first operating mode as a function of a distortion component of the mains current and / or a loss performance of the energy converter.
  • This can avoid the who, that an existing distortion fraction otherwise remains to be the next as an offset and must be compensated by example egg ner time-discrete current control.
  • This can be realized, for example, by first calculating corresponding suitable PWM pulse patterns and then delaying a start of the output of the calculated PWM pulse pattern and thus the change between the operating modes until a current error during operation in the second mode of operation predetermines a reference value below.
  • a current terminal voltage can be calculated and used as a starting value, for example as an integral component, by the time-discrete current control. For example, transient phenomena related to the change of the operating modes can be reduced by the mentioned measures. However, they are not mandatory.
  • a PWM modulator for example, a modulator with previously calculated, optimized pulse patterns can be set. Preferably, this means the switching hand lungs for a defined period of time or a defined period for the future in a current Be billing cycle set and allows the next engagement only after the expiration of this switching sequence.
  • a clock rate of the PWM pulse pattern may be changed after each switching period to achieve wobbling.
  • an interference power can be distributed spectrally to many frequencies, so that, for example, cheaper Stahlfil ter can be used.
  • a voltage-frequency spectrum of PWM modulation with wobble may be similar to a voltage-frequency spectrum of direct current regulation according to the second operating state.
  • the switching or the change from the second operating mode to the first operating mode should preferably take place at a time when a distortion component in the mains current is as low as possible because an existing distortion component would otherwise initially remain as an offset and would have to be compensated by the time-discrete current regulation ,
  • the first and / or the second relative switching value are selected depending on the predetermined Ver equal-current.
  • a hysteresis can be provided, within which the ripple current is in the second operating mode.
  • One of the switching values can also be formed by the comparison current.
  • the first switching value may be greater than the predetermined comparison current, whereas the second switching value may be smaller than the predetermined comparison current.
  • the first and the second switching value are selected at the same distance from the United Gleichsstrom. As a result, a hysteresis window can be achieved symmetrically to the predetermined comparison current.
  • the setting of the Mains current is disabled depending on the comparison current and the energy converter is operated in the first operating mode to provide a predetermined electrical connection voltage at the corresponding terminal.
  • Current source is preferably in this operating state deak tivated, and it can be used a predetermined reference voltage for adjusting the terminal voltage.
  • a predetermined reference voltage for adjusting the terminal voltage can also be provided a gelungsfunktion Rund Reg.
  • the island mains operation can be automatically activated in a simple way in case of power failure, so that a power supply functionality can be provided almost continuously.
  • the compensation processes occurring during the activation or deactivation can be reduced if not completely suppressed due to the high dynamics of the control in the second operating mode.
  • this can be achieved that a galvanic Tren voltage of the energy converter, for example, on an AC voltage side, can be saved. This can reduce costs and weight.
  • Inverter as energy converter according to the inven tion, which is designed to electrically couple a DC link voltage as a first electrical network with egg ner three-phase AC voltage as the second elec- tric network;
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram representation for an electrical drive device with an inverter according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an energy gie converter system with four parallel-connected inverters according to FIG. 1, which electrically couple an intermediate DC voltage as the first electrical network with a three-phase AC voltage as the second electrical network;
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a spectral power distribution for mains current according to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a schematic diagram representation as in FIG. 4 for the line current of the inverter according to FIG. 1, but here in a first operating mode of the inverter; and
  • FIG. 7 shows a schematic diagram illustration as per FIG. 5 but for the first operating mode according to FIG. 6.
  • FIG. 1 shows in a schematic diagram representation egg nen three-phase inverter 10 as an energy converter, by means of which a DC voltage intermediate circuit 12 is electrically coupled as a first electrical network with a three-phase AC voltage network 14 as a second electrical network.
  • the energy converter 10 has a first connection 16 for connection to the DC voltage intermediate circuit 12 and a second connection 18 for connection to the three-phase AC voltage network 14.
  • each phase of the three-phase alternating voltage network 14 is a respective Wandlerindukttica 20 and one with the respective respective WandlerinduktShik 20 electrically coupled
  • Switching element 22 is provided, wherein the first terminal 16 via the respective combination of the respective Wandlerindukti tivity 20 with the respective associated switching elements 22 a respective, not further designated Phasenan circuit of the second terminal 18 is electrically coupled.
  • the inverter 10 further comprises a control unit 24, which is electrically coupled via respective control lines 34 with a respective one of the switching elements 22, so that the switching elements 22 can be beat individually by means of control signals beauf.
  • the control unit 24 is configured to drive the switching elements 22 in a switching operation such that the inverter 10 provides a predeterminable energy conversion functionality between the first and the connection 16, 18.
  • a regulated alternating current in the manner of a current source for each phase of the AC voltage network 14 is provided at the second terminal 18.
  • the control unit 24 is designed to control a respective mains current of a respective phase at the second terminal 18 from a comparison with a predefinable comparison. Ström adjust.
  • the control unit 24 thus provides a corresponding current control.
  • the comparison current is given here for each phase separately by a nominal alternating current.
  • the control unit 24 now controls the switching elements 22 in switching operation such that the setpoint comparison current can be approximated as well as possible by the action of the converter inductances 20. It should be noted that due to the clocking operation of the switching elements 22, a current waveform is achieved, which is superimposed by egg nem corresponding ripple current, which is due to the switching operation of the switching elements 22, superimposed (FIG 4, FIG 6).
  • the control unit 24 is formed here, the switching operation in two different operating modes admirzustel len.
  • a first operating mode for the switching operation is provided to provide the electrical connection voltage at the terminal 18 for a respective phase of the AC voltage network 14 by means of a PWM method depending on the comparison ready.
  • voltage sensors 44 are provided with respect to the AC voltage network 14, by means of which a respective phase of the three-phase AC voltage of the AC voltage network 14 can be detected.
  • the corre sponding measured values are fed via lines, not shown, a phase-locked loop (PLL) unit 42. This he testifies for the other units of the control unit 24 signals with respect to respective phase angle and the frequency of the three-phase AC voltage of the AC voltage network 14. These signals are fed to a current control unit 38 for zeitdiskre th current rules.
  • PLL phase-locked loop
  • the current control unit 38 receives by means of
  • Current sensors 46 detected respective phase currents or network currents at the second terminal 18, namely i u , i v , i w . Furthermore, the current control unit 38 is supplied with nominal values for the respective phase currents i * u , i * v , i * w . From this, the current control unit 38 determines values for a current one Target voltage and a current target angle, which are supplied via respective communication lines 48, 50, a PWM modulator 36 of the control unit 24. The PWM modulator 36 generates the corresponding control signals that are routed via the control lines 34 to the respective one of the switching elements 22 so that they can be driven in the intended cycle operation.
  • the first mode of operation thus provides an indirect current regulation, in which a corresponding current flow is to be brought about by setting the respective electrical voltage at the second terminal 18.
  • the signal lines 34 are not directly connected to the PWM modulator 36, but instead are routed via electronic switches 56.
  • the electronic switch 56 allow, depending on the selected operating state, the control signals
  • Supply switching elements 22 In the switching position shown in Figure 1, the first operating mode is activated, so that the switching elements 22 are operated according to a PWM method in Heidelbergbe operation.
  • the control unit comprises a direct current control unit 40.
  • the direct current control unit 40 receives as input signals in addition to the information regarding the phase angle and the frequency of the PLL unit 42, the detected phase currents i u , i v , i w , which have been detected by the current sensors 46, and the corresponding target currents i * u , i * v , i * w , which are also the Stromregelungsein unit 38 available.
  • the direct current control unit 40 further includes - not shown in FIG 1 - a first predetermined relative switching value, the currents for each of the phase currents i u , i v , i w is given, and a corresponding second predetermined relative switching value.
  • the first switching value is greater by a predeterminable distance at any time than the corresponding desired current i * u, i * v , i * w , whereas the second switching value is correspondingly smaller in each case.
  • the amounts of the corresponding switching values are chosen the same here. However, they can also be chosen differently from one another in alternative embodiments.
  • the switching values provide a hysteresis range around the respective current setpoints i * u, i * v , i * w , which serves to trigger a respective switching action and to output corresponding control signals for the switching elements 22.
  • 22 individual control signals to the electronic switch 56 are performed for each of the elements Druckele. If the electronic switch 56 is switched to the other switching position, there is a so-called direct current control according to the second loading operating state of the control unit 24 before.
  • the electronic switch 56 are connected for the purpose of switching over to a mode change unit 52.
  • the mode change unit 52 By means of the mode change unit 52, the operating modes can be switched depending on a state süberwachung who the.
  • a virtually trouble-free switching as possible in the normal operation of the inverter 10 it can be enough, all units of Steuerein unit 24 are kept active regardless of the respective activated operating state. As a result, it is possible to change almost arbitrarily between the operating states.
  • FIGS. 4 to 7 show effects of the first and the second operating modes.
  • FIGS. 4 and 5 relate to the second operating mode
  • FIGS. 6 and 7 relate to the first operating mode.
  • the abscissa is assigned to the time
  • the abscissa is assigned to the frequency
  • the ordinate is assigned to the relative mains current of a phase at the terminal 18.
  • FIG. 4 shows, for one of the phases, representative of the second connection 18, a desired current profile by means of a graph 58.
  • An actual current, as detected by means of the respective one of the current sensors 46, is represented by means of a graph 60. It can be seen that a hysteresis band is provided symmetrically with respect to the graph 58 by the first and the second switching value, within which the actual current of the respective phase at the terminal 18
  • FIG. 5 shows, by means of a graph 62, a relative spectral distribution of the current profile according to FIG. 4, as represented by the graph 60. It can be seen that a very broad spectral distribution is given.
  • FIG. 6 shows, in an illustration such as FIG. 4, how the current variation in accordance with the graph 60 changes when the first operating mode is now activated instead of the second operating mode. It should be noted in the representation according to FIG 6 that the size ratios of the ripple current are not exactly ge met. In fact, the ripple current, as it results from the graph 60 in FIG 6, considerably larger than the ripple current, as it is provided by the graph 60 in FIG 4 represents.
  • FIG. 7 shows the corresponding relative spectral distribution in the first operating mode according to FIG. 6. It can be seen that the spectral energy is concentrated at essentially two points. In contrast to the second operating mode, in which, as is apparent from FIG. 5, the spectral energy is widely distributed, here is the first operating mode, the energy distributed narrowband. It is distributed to a large extent on the two peaks.
  • a self-commutated mains inverter which in the present case is designed as an inverter 10 is operated in a normal mode in the first operating mode, namely in a switching mode according to a PWM method. It should be in the present embodiment, Chen Chen to achieve the lowest possible total distortion of the voltage at the second terminal 18 and the highest possible efficiency.
  • a network failure such as a symmet ric and an asymmetrical voltage change, a phase jump, a frequency change, a Netzimpedanz65e tion, a phase failure or the like
  • the dynamics in the first mode of operation may be insufficient to continue to regulate the mains power as intended.
  • strong deviations from the setpoint or overcurrent or overvoltage protection shutdowns may occur.
  • a defined dynamic of a controlled system is assumed for the design and parameterization of the PWM method. If the actual controlled system deviates too much as a result of network changes, the regulation can become unstable.
  • overcurrent / overvoltage protection shutdowns as well as inadmissible harmonics of currents and voltages can be the result.
  • the Wech inverter 10 can therefore be operated as follows.
  • the mode change unit 52 By means of the mode change unit 52, a corresponding operating situation can be recognized, for example due to a large re-deviation, due to reaching a current or voltage threshold, due to an external signal or the like.
  • the mode change unit 52 causes a Be mode change from the first mode of operation in the high dynamic mixing second mode of operation.
  • the difficult operating situation has been overcome, for example by values of currents and voltages as well as frequencies being within normal limits again within a predefinable time, then it is possible to switch back again from the second operating mode to the first operating mode.
  • the second mode of operation is less favorable in terms of efficiency, for the second mode of operation also a maximum allowable operating time can be specified. After reaching the maximum predetermined operating time then an automated change from the second mode of operation can be provided in the first mode of operation.
  • a grid inverter which is formed by the inverter 10, operates in normal mode with direct current control in the second mode of operation, because a robust, high-dynamic operating situation is at fluctuating network parameters in the foreground.
  • This can be the case, for example, in the case of energy generation or as energy storage.
  • the ability to provide a stand-alone grid virtually without interruption in the event of a grid fault is also required here, so that the energy supply can continue to be ensured.
  • the inverter 10 has the task of regulating the voltage and the frequency in the network. Active and reactive variables are largely determined by the consumer connected to the In net and are therefore initially unknown to the inverter 10 and can vary greatly over time. A specification of a comparison current for a direct current control in the first operating mode for all conceivable operating situations and load changes can thus be difficult and require a large measurement and calculation effort. In contrast, a voltage regulation at the second connection 18 in the first operating state would in this operating situation be a direct regulation for the connection voltage form, so that the current control unit 38 disabled who can. Corresponding setpoint values for the connection voltage, which are required for the PWM modulator 36, can then come directly from a higher-level regulation for the connection voltage and the frequency.
  • a typical application for this is also when the Wech inverter 10 is pelt gekop with an electrical energy storage such as egg ner battery or the like at the first terminal 16, which receives charging and discharging active and reactive power setpoints from a higher-level control and failure of the external electrical network uninterruptible an island network provides.
  • an electrical energy storage such as egg ner battery or the like
  • the drive train 80 has an electrical machine 64, which is designed for a three-phase loading operation.
  • the electrical machine 64 is connected to an energy converter 66, which in turn is connected to a DC voltage intermediate circuit 68.
  • a further energy gie converter 70 is also connected, which provides a further three-phase AC voltage network, which is connected via a fil terech 72 to a current regulator 74.
  • the current controller 74 is connected via a three-phase contactor 76 to an unspecified electrical three-phase Wech selcomplexitiesstik 78.
  • the energy converter 66 and / or the energy converter 70 may be formed by an inverter 10 according to FIG.
  • the powertrain 80 may, for example, serve to provide mechanical drive power in a production line.
  • the drive train 80 can also serve to supply electrical energy from the electric machine 64 to the AC electrical network 78. This case may occur, for example, when the electric machine 64 is disposed in a wind turbine or the like.
  • FIG. 3 now shows an energy converter system 26 with four parallel-connected inverters 10, as they have already been explained with reference to FIG.
  • the respective first connections 16 are connected in parallel to a DC voltage intermediate circuit 12 in common.
  • the jewei time second terminals of the inverter 10 are connected in parallel to a three-phase alternating voltage network 14.
  • the switching elements 22 in the present case are formed by half-bridge circuits of field effect transistors, in the present case insulated gate bipolar transistors (IBGT).
  • IBGT insulated gate bipolar transistors
  • the respective second terminals 18 of the inverters 10 are electrically coupled via a respective three-phase contactor 82 to the three-phase alternating voltage network 14.
  • the inverters 10 can optionally be replaced by voltage network 14 are disconnected. It can also be seen that the control units 24 are communicatively coupled via a BUS system 86 to a control panel 88.
  • the BUS system 86 is presently formed by a professional BUS as a field BUS.
  • Respective sensor devices 84 which are connected to the respective control unit 24 via a respective line 90, are furthermore connected to the respective second connections 18. Via the line 90, the corresponding sensor signals are transmitted to the control unit 24.
  • the control unit 84 determines respective phase voltages and phase currents at the respective one of the second terminals 18.
  • the energy conversion system 26 is operated in normal operation such that its inverters 10 are operated in the first operating mode, the lowest possible total distortion of the clamping voltage at the respective terminals 18 and the highest possible hen efficiency in parallel connection to reach the inverter 10 can.
  • the energy converter system 26 is designed to realize a so-called staging.
  • inverters 10 which are not required can be switched off and disconnected from the grid by means of the contactor 82.
  • the efficiency of the energy converter system 26 can be significantly improved with partial performance and the lifetime can be increased because the operating hours for the individual inverters 10 can be reduced.
  • the formerlyinten sive isolation transformers can be saved.
  • the use of staging can not only be achieved for a few special applications, but it also opens up a much broader field of application, in particular for standard applications, with regard to the use of the advantages with regard to partial load operation.
  • Switching commands with respect to the switching elements 22 can be achieved that current comparison values for the inverter 10 to be switched off can be brought to zero with a ramp function. Only then is the contactor 82 ge opens. After expiration of an opening time, for example, evaluation of a return signal or the like, the wei ter active inverter 10 can then switch back to the first loading operating mode.
  • the second operating mode may require specially adapted line filters. Otherwise, significant additional component loads and losses may occur.
  • a respective period which may be, for example, 50 ms to about 500 ms. Within this period, the respective connection or disconnection can then be carried out. The resulting unfavorable effects can thereby be reduced, so that adjustments of network filters can be largely avoided.
  • a common-mode inductance in the line filter as well as an active damping with fast voltage measurement in the line filter may be included in a common-mode inductance in the line filter as well as an active damping with fast voltage measurement in the line filter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlers (10), der ein erstes Netz (12) mit einem zweiten Netz (14) koppelt, indem elektrische Energie mittels wenigstens einem Schaltelement (22) gewandelt wird, wobei: - das Schaltelement (22) in einem Schaltbetrieb betrieben wird, und - ein Netzstrom für eines der Netze (12, 14) abhängig von einem Vergleich des Netzstroms mit einem Vergleichsstrom eingestellt wird, - ein erster Betriebsmodus für den Schaltbetrieb bereitgestellt wird, bei dem eine elektrische Spannung an dem einen der Netze (12, 14) mittels eines PWM-Verfahrens abhängig von dem Vergleich eingestellt wird, und - ein zweiter Betriebsmodus bereitgestellt wird, bei dem das Schaltelement (22) dann geschaltet wird, wenn bei dem Vergleich eine Differenz zwischen dem Netzstrom und dem Vergleichsstrom größer als ein erster vorgegebener relativer Schaltwert und/oder kleiner als ein zweiter vorgegebener relativer Schaltwert ist, wobei während des bestimmungsgemäßen Betriebs zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus gewechselt wird.

Description

Beschreibung
Elektrisches Koppeln eines ersten elektrischen Netzes mit einem zweiten elektrischen Netz
Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zum elektrischen Koppeln eines ersten elektrischen Netzes mit einem zweiten elektrischen Netz, mit wenigstens einem Schaltelement, und einer mit dem wenigstens einen Schaltelement elektrisch ge koppelte Steuereinheit, die ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement derart in einem Schaltbetrieb zu betrei ben, dass der Energiewandler eine vorgebbare Energiewand lungsfunktionalität bereitstellt, und wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, einen Netzstrom für eines der Netze abhängig von einem Vergleich des Netzstroms mit einem vorgebbaren Ver gleichsstrom einzustellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiewandlersystem zum elektrischen Koppeln eines ers ten elektrischen Netzes mit einem zweiten elektrischen Netz, mit wenigstens zwei Energiewandlern, die jeweils an das erste elektrische Netz und an das zweite elektrische Netz an schließbar sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlers, der ein erstes elektri sches Netz mit einem zweiten elektrischen Netz elektrisch koppelt, indem der Energiewandler elektrische Energie mittels wenigstens einem Schaltelement wandelt, wobei das wenigstens eine Schaltelement derart in einem Schaltbetrieb betrieben wird, dass der Energiewandler eine vorgegebene Energiewand lungsfunktionalität bereitstellt, und
ein Netzstrom für eines der Netze abhängig von einem Ver gleich des Netzstroms mit einem vorgegebenen Vergleichsstrom eingestellt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Ver fahren zum Betreiben eines Energiewandlersystems, mit dem ein erstes elektrisches Netz mit einem zweiten elektrischen Netz mittels wenigstens zwei Energiewandlern elektrisch gekoppelt wird, die jeweils an das erste elektrische Netz und an das zweite elektrische Netz angeschlossen sind. Energiewandler, Energiewandlersysteme mit mehreren Energie wandlern sowie Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Ein Ener giewandler ist eine elektrische Einrichtung, die dazu dient, das erste und das zweite elektrische Netz in vorgebbarer Wei se miteinander elektrisch koppeln zu können, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Netz Energie ausge tauscht werden kann. Das erste beziehungsweise zweite elekt rische Netz kann beispielsweise ein Gleichspannungsnetz oder auch ein Wechselspannungsnetz, insbesondere ein mehrphasiges Wechselspannungsnetz sein. Je nach Art des elektrischen Net zes ist der Energiewandler als Gleichrichter, als Wechsel richter, als Gleichspannungswandler oder dergleichen ausge bildet .
Heutzutage werden Energiewandler in Form so genannter stati scher Energiewandler eingesetzt, das heißt, dass sie anders als dynamische Energiewandler keine mechanisch bewegbaren, insbesondere rotierbaren Teile für den Zweck der Energiewand lung aufweisen. Statische Energiewandler sind in der Regel als getaktete elektrische Energiewandler ausgebildet und wei sen zu diesem Zweck wenigstens eine Wandlerinduktivität und wenigstens ein Schaltelement auf, die in geeigneter Weise miteinander verschaltet und zum Beispiel an den ersten und den zweiten Anschluss angeschlossen sind, über die der Ener giewandler an das erste und das zweite elektrische Netz ange schlossen ist, sodass durch Betreiben des Schaltelements in einem geeigneten Schaltbetrieb die gewünschte Wandlungsfunk tion des Energiewandlers erreicht werden kann.
Ein Schaltelement im Sinne dieser Offenbarung ist dabei vor zugsweise ein steuerbares elektronisches Schaltelement, bei spielsweise ein steuerbarer elektronischer Halbleiterschalter wie ein Transistor, ein Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, vorzugsweise mit parallelgeschalteten Freilaufdio den, ein Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) , ein Isolated-Gate- Bipolar-Transistor (IGBT), Kombinationen hiervon oder der- gleichen. Dem Grunde nach kann das Schaltelement auch durch einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) gebildet sein.
Zur Bereitstellung der gewünschten Energiewandlungsfunktiona lität wird das wenigstens eine Schaltelement im Schaltbetrieb betrieben. In Bezug auf einen Halbleiterschalter nach Art ei nes Transistors bedeutet dies, dass in einem eingeschalteten Schaltzustand zwischen den eine Schaltstrecke bildenden An schlüssen des Transistors ein sehr geringer elektrischer Wi derstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist. In einem ausgeschalte ten Schaltzustand ist hingegen die Schaltstrecke des Transis tors hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektri schen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der
Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentli chen kein oder ein nur sehr geringer, insbesondere vernach lässigbarer Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb bei Transistoren, der aber bei getakteten Energiewandlern in der Regel nicht zum Einsatz kommt.
Der erste sowie auch der zweite Anschluss sind entsprechend des jeweils anzuschließenden elektrischen Netzes ausgebildet, sodass eine bestimmungsgemäße Kopplung erreicht werden kann. So kann vorgesehen sein, dass bei einem Gleichspannungsnetz beziehungsweise einem einphasigen Wechselspannungsnetz der entsprechende Anschluss des Energiewandlers zumindest zwei Anschlusspole aufweist, um die zumindest zwei elektrischen Potentiale dieses elektrischen Netzes anschließen zu können. Bei einem mehrphasigen Wechselspannungsnetz können hingegen entsprechend mehrere Anschlusspole vorgesehen sein, sodass die jeweiligen Phasen des mehrphasigen Wechselspannungsnetzes bestimmungsgemäß angeschlossen werden können. Entsprechend ist die Schaltungsstruktur des Energiewandlers ausgebildet, die je nach Bedarf auch zwei oder noch mehr Wandlerinduktivi täten aufweisen kann, die vorzugsweise magnetisch nicht mit einander gekoppelt sind. Entsprechend können auch zwei oder mehrere Schaltelemente vorgesehen sein, die mittels jeweili- ger Wandlerinduktivitäten elektrisch gekoppelt sind, um die gewünschte Energiewandlungsfunktionalität bereitstellen zu können .
Das wenigstens eine Schaltelement ist mit der Steuereinheit gekoppelt. Bei mehreren Schaltelementen sind vorzugsweise sämtliche der mehreren Schaltelemente mit der Steuereinheit gekoppelt. Die Kopplung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass jedes der Schaltelemente individuell gesteuert werden kann. Die Steuereinheit kann als elektronische Schaltung aus gebildet sein, die entsprechende Steuersignale für das we nigstens eine Schaltelement bereitstellt, sodass der ge wünschte Schaltbetrieb des Schaltelements realisiert werden kann. Die elektronische Schaltung kann neben elektronischen Bauteilen zur vorgebbaren Bereitstellung der Steuersignale auch wenigstens eine programmgesteuerte Recheneinheit umfas sen, um die gewünschte Funktion der Steuereinheit bereitstel len zu können. Natürlich kann die Steuereinheit auch aus schließlich aus der Rechnereinheit bestehen.
Die Steuereinheit ist ausgebildet, das wenigstens eine
Schaltelement derart im Schaltbetrieb zu betreiben, dass der Energiewandler die vorgebbare Energiewandlungsfunktionalität zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss bereitstellt . Ferner ist die Steuereinheit ausgebildet, einen Netzstrom bei einem der Anschlüsse abhängig von einem Vergleich des Netz stroms mit einem vorgebbaren Vergleichsstrom einzustellen.
Die Steuereinheit stellt also eine Regelungsfunktionalität bereit, mittels der der Netzstrom in vorgebbarer Weise einge stellt werden kann. Dadurch ist es möglich, an demjenigen An schluss, dessen Netzstrom erfasst wird, diesen in vorgebbarer Weise zu regeln. Zum Erfassen des Netzstroms kann zum Bei spiel ein geeigneter Stromsensor oder dergleichen genutzt werden. Der Stromsensor kann vom Energiewandler umfasst sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Energiewandler einen Anschluss für den Stromsensor aufweist, der zum Bei spiel von dem entsprechenden elektrischen Netz umfasst ist, welches mit dem geregelten Netzstrom beaufschlagt werden soll .
Auch Energiewandlersysteme sind umfänglich im Einsatz. Ener giewandlersysteme weisen wenigstens zwei Energiewandler auf, die in geeigneter Weise miteinander betrieben werden, damit das Energiewandlersystem, welches ebenfalls dazu dient, zwei elektrische Netze miteinander elektrisch zu koppeln, eine ge wünschte Energiewandlungsfunktionalität bereitzustellen ver mag. Dabei ist zumeist vorgesehen, dass die Energiewandler in einem Parallelbetrieb betrieben werden. Die Energiewandler können wie zuvor erläutert ausgebildet sein.
Zum Regeln des Netzstroms ist es üblich, eine geeignete Rege lungsfunktionalität bereitzustellen. Zu diesem Zweck können geeignete Algorithmen beziehungsweise auch Schaltmuster durch die Steuereinheit für das wenigstens eine Schaltelement be reitgestellt werden.
Im praktischen Betrieb haben sich die Energiewandler, die Energiewandlersysteme sowie auch die Verfahren zu deren Be trieb dem Grunde nach bewährt. Gleichwohl treten gerade bei dynamischen Vorgängen, beispielsweise bei Störungen in einem oder beiden der elektrischen Netze sowie auch bei einem Akti vieren beziehungsweise Deaktivieren eines der wenigstens zwei Energiewandler bei einem Energiewandlersystem Probleme auf, die die gesamte Funktionalität beeinträchtigen wenn nicht so gar stören. So ist es bei Energiewandlersystemen mittlerweile üblich, die parallelgeschalteten Energiewandler über Trenn transformatoren galvanisch zu entkoppeln. Dadurch soll bei dynamischen Vorgängen, wie dem Aktivieren beziehungsweise dem Deaktivieren eines einzelnen der Energiewandler, das Auftre ten von unerwünschten zyklischen Strömen vermieden werden.
Darüber hinaus offenbart die EP 3 297 150 Al eine Regelung von Phasenströmen parallel geschalteter Wechselrichter. Aber auch der Betrieb eines einzelnen Wechselrichters kann weiter verbessert werden. Je nach eingesetztem Verfahren zum Regeln des Stroms können zum Beispiel Begrenzungen hinsicht lich einer Dynamik der Regelung, einer Robustheit der Rege lung, ungünstige Netzrückwirkungen und hohe Schaltverluste auftreten .
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Betrieb von Energiewandlern sowie Energiewandlersystemen zu verbes sern und entsprechende Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Energiewandler, ein Energiewandlersystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Ener giewandlers sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Energie wandlersystems gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschla gen .
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Energiewandlers wird insbe sondere vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, einen ersten Betriebsmodus für den Schaltbetrieb zum Einstellen einer elektrischen Spannung an dem einen der Netze mittels eines PWM-Verfahrens abhängig von dem Vergleich be reitzustellen, und einen zweiten Betriebsmodus für den
Schaltbetrieb bereitzustellen, in dem das wenigstens eine Schaltelement dann geschaltet wird, wenn bei dem Vergleich eine Differenz zwischen dem Netzstrom und dem vorgebbaren Vergleichsstrom größer als ein erster vorgebbarer relativer Schaltwert und/oder kleiner als ein zweiter vorgebbarer rela tiver Schaltwert ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Energiewandlers wird insbesondere vorgeschlagen, dass ein erster Betriebsmodus für den Schaltbetrieb bereitgestellt wird, bei dem eine elektrische Spannung an dem einen der Net ze mittels eines PWM-Verfahrens abhängig von dem Vergleich eingestellt wird, und ein zweiter Betriebsmodus bereitge stellt wird, bei dem das Schaltelement dann geschaltet wird, wenn bei dem Vergleich eine Differenz zwischen dem Netzstrom und dem vorgegebenen Vergleichsstrom größer als ein erster vorgegebener relativer Schaltwert und/oder kleiner als ein zweiter vorgegebener relativer Schaltwert ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Energiewandlersystems wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Energiewandler gemäß der Erfindung ausgebildet sind.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben ei nes Energiewandlersystems wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Energiewandler nach einem Verfahren der Erfindung betrieben werden.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Betrieb des Energiewandlers beziehungsweise des Energiewandlersystems durch geeignete Auswahl eines Betriebsmodus in gewünschter Weise angepasst werden kann, um die gesamte Funktionalität auch bei dynamischen Vorgängen in Bezug auf die elektrischen Netze oder auch in Bezug auf das Aktivieren beziehungsweise Deaktivieren eines der mehreren Energiewandler des Energie wandlersystems zu verbessern. Dabei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass die zwei Betriebsmodi das Betreiben des Energiewandlers mit unterschiedlichen Vorzugseigenschaften erlaubt. Je nach Bedarf kann zwischen den beiden Betriebsmodi gewechselt werden. Dadurch ist es möglich, die vorgenannten Nachteile des Stands der Technik zu reduzieren wenn nicht so gar vollständig zu überwinden.
Vorzugsweise weist der Energiewandler einen ersten Anschluss zum Anschließen an das erste elektrische Netz, einen zweiten Anschluss zum Anschließen an das zweite elektrische Netz und wenigstens eine Wandlerinduktivität auf, wobei das wenigstens eine Schaltelement mit der wenigstens einen Wandlerinduktivi tät elektrisch gekoppelt ist, wobei der erste und der zweite Anschluss über die wenigstens eine Wandlerinduktivität und das wenigstens eine Schaltelement miteinander elektrisch ge koppelt sind.
Der erste Betriebsmodus sieht gemäß der Erfindung die Nutzung eines PWM-Verfahrens vor. Das Akronym steht hierbei für Puls weitenmodulation. Das PWM-Verfahren kann zur Regelung des Netzstroms des Energiewandlers genutzt werden. Es kann auch als indirektes Stromregelungsverfahren bezeichnet werden. Bei dem PWM-Verfahren wird eine Stromregelungsfunktionalität, vorzugsweise unter Nutzung eines PI-Reglers, bereitgestellt, indem eine für den gewünschten Netzstrom erforderliche An schlussspannung beziehungsweise Ausgangsspannung berechnet wird, die dann mittels des PWM-Verfahrens bereitgestellt wird. Bei diesem Verfahren wird also der Strom nicht unmit telbar geregelt, sondern unter Vermittlung der Anschlussspan nung beziehungsweise der Ausgangsspannung.
Der zweite Betriebsmodus bezieht sich auf ein direktes Rege lungsverfahren. Bei diesem direkten Regelungsverfahren wird der aktuelle Netzstrom erfasst und ausgewertet, beispielswei se indem ein sogenannter Ist-Storm ermittelt wird, der dann mit einem vorgebbaren Soll-Strom beziehungsweise dem Ver gleichsstrom unmittelbar verglichen werden kann. Abhängig von diesem Vergleich kann dann ein jeweiliger Schaltzustand des wenigstens einen Schaltelements ermittelt und eingestellt werden .
Da der Energiewandler im Taktbetrieb betrieben wird, ergeben sich bei beiden Verfahren regelmäßig Abweichungen vom Ver gleichsstrom. Bei dem ersten Betriebsmodus wird durch ent sprechendes Nachregeln der Anschlussspannung versucht, den gewünschten Netzstrom zu erreichen. Bei dem zweiten Betriebs modus ist hingegen vorgesehen, das wenigstens eine Schaltele ment dann zu schalten, wenn bei dem Vergleich eine Differenz zwischen dem erfassten Netzstrom und dem vorgebbaren Ver gleichsstrom größer als ein erstes vorgebbarer Schaltwert und/oder kleiner als ein zweiter vorgebbarer Schaltwert ist. Vorzugsweise ist sowohl der erste als auch der zweite vorgeb- bare Schaltwert vorhanden. Sie können betragsmäßig gleich groß sein. Darüber hinaus ist der erste vorgebbare Schaltwert vorzugsweise größer als der zweite vorgebbare Schaltwert, wenn beide Schaltwerte vorhanden sind. Mit den Schaltwerten kann vorzugsweise ein Abstand zum Vergleichsstrom vorgegeben werden. Sie sind insbesondere relative Werte, die auf den Vergleichsstrom bezogen sind. Beispielsweise kann es sich bei den Schaltwerten um Differenzwerte von einem absoluten Wert in Bezug auf den Vergleichswert handeln. Dadurch kann bei dem zweiten Betriebsmodus ein sogenannter Rippelstrom hinsicht lich seiner Amplitude eingestellt werden. Bei dem ersten Be triebsmodus ist dies so nicht möglich, sodass dort der Rip pelstrom entsprechend größer ausfallen kann. Es ist jedoch zu beachten, dass im ersten Betriebsmodus gegenüber dem zweiten Betriebsmodus in der Regel geringere Schaltverluste erreicht werden können. Dies ist für die Auslegung des Energiewandlers und den bestimmungsgemäßen Betrieb zu beachten.
Beide Betriebsmodi haben somit ihre individuellen Vorteile und Nachteile. Mit dem PWM-Verfahren gemäß dem ersten Be triebsmodus können somit kleine Schaltverluste, eine geringe Gesamtverzerrungsleistung, kostengünstige Filterfunktionen sowie auch ein kostengünstiges Common-Mode-Filterkonzept er reicht werden. Der zweite Betriebsmodus erlaubt hingegen eine große Dynamik und Robustheit in Bezug auf die Stromregelung, und insbesondere bei Energiewandlersystemen eine nahezu unab hängige Betriebsmöglichkeit der einzelnen Energiewandler, beispielsweise indem für die Energiewandler unterschiedliche Vergleichsströme als Soll-Werte vorgegeben werden können.
Der kennzeichnende Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus besteht also insbesondere in der Art und Weise, wie Schalthandlungen beziehungsweise der Schaltbe trieb des wenigstens einen Schaltelements ermittelt bezie hungsweise ausgeführt werden. Bei dem ersten Betriebsmodus liegt dem Grunde nach ein Soll-Wert für die Anschlussspannung vor, der beispielsweise zuvor mittels eines insbesondere di gitalen Stromreglers ermittelt wurde. Unter Nutzung einer Re- chenvorschrift können dann mittels eines PWM-Modulators die entsprechenden Schalthandlungen für eine vorgegebene Schalt periode im Voraus ermittelt werden, zum Beispiel anhand von Tabellen, Rechenvorschriften oder dergleichen. Die gewünschte Anschlussspannung kann sich dann aus einem zeitlichen Mittel von stufenweise geschalteten Einzelspannungen über eine Takt periode der Pulsweitenmodulation ergeben. Der sich hierdurch einstellende stufenförmige Spannungsverlauf erlaubt es dann, den Netzstrom an den Vergleichsstrom anzunähern, wobei jedoch ein entsprechender Rippelstrom überlagert ist, der in der Re gel mittels geeigneter Filtermaßnahmen geglättet werden kann.
Da die Schalthandlungen im Voraus bezeichnet worden sind und damit nicht unmittelbar auf den momentanen erfassten Netz strom beziehungsweise Strom-Ist-Wert reagieren können, kann der Rippelstrom deutlich von einem Betriebspunkt sowie gege benenfalls auch von Störgrößen abhängig sein, zum Beispiel einem Phasenwinkel bei einer Wechselspannung, einer Netzspan nung, einer elektromotorischen Kraft einer elektrischen Ma schine und/oder dergleichen. Darüber hinaus kann der Rip pelstrom auch stark zeitabhängig sein.
Bei dem zweiten Betriebsmodus wird hingegen der Vergleichs strom als Strom-Soll-Wert unmittelbar genutzt. Eine Kenntnis in Bezug auf die Anschlussspannung ist für dieses Funktions prinzip nicht zwingend erforderlich. Eine Schalthandlung er folgt hierbei vorzugsweise immer dann, wenn eine Abweichung des erfassten Netzstroms beziehungsweise des Strom-Ist-Werts vom Vergleichsstrom zu groß wird. Dieser Betriebsmodus er laubt es darüber hinaus, das Schalthandlungen, die in der Zu kunft liegen, nicht zuvor festgelegt zu werden brauchen. Der zweite Betriebsmodus erlaubt es nämlich, unmittelbar auf Än derungen des erfassten Netzstroms in Bezug auf den Ver gleichsstrom zu reagieren, wodurch der Rippelstrom einen ge genüber dem ersten Betriebsmodus nahezu gleichmäßigen Verlauf annehmen kann und somit kaum vom Betriebspunkt und gegebenen falls auftretenden Störgrößen abhängig sein braucht. Durch die Erfindung wird also eine Kombination der Nutzung zweier unterschiedlicher Betriebsverfahren zum Betreiben des Energiewandlers beziehungsweise des Energiewandlersystems re alisiert, wodurch die Vorteile beider Betriebsmodi kombiniert werden können und somit neue Anwendungsmöglichkeiten und Be triebsweisen erreicht werden können. Zugleich kann ein kos tengünstiges System aus Energiewandler, Ausgangsfilter mit hohem Wirkungsgrad sowie bei Bedarf auch hochdynamischer und robuster Regelung erreicht werden.
Die Erfindung erlaubt es dadurch, netzseitige Störsituationen ohne signifikante Überstromfehler durchfahren zu können, ins besondere wenn der Energiewandler einen Netzwechselrichter bereitstellt, dessen Funktionalität durch Netzstörungen be einträchtigt werden kann. Die Netzstörungen können zum Bei spiel durch sprunghafte Änderungen der Netzspannung, von Net zimpedanzen oder dergleichen verursacht sein. Bei derartigen Störungen kann eine Regelung auf Basis des ersten Betriebsmo dus zum Beispiel instabil werden, oder eine zu geringe Dyna mik bereitstellen, sodass Folgefehler auftreten können.
Die Erfindung erlaubt es darüber hinaus, einen Netzwechsel richter auch als robusten Energieerzeuger und als unterbre chungsfreien Inselnetzbildner bei einem Netzausfall betreiben zu können. Ein Betrieb im zweiten Betriebsmodus erlaubt zwar eine große Robustheit, kann jedoch zugleich auch als Strom quelle wirken und ist daher bei einem Inselnetzbetrieb eher nachteilig. Im Inselnetzbetrieb ist es vorteilhaft, wenn der Energiewandler als Spannungsquelle betrieben werden kann, weshalb der erste Betriebsmodus hier vorzuziehen wäre. Der zweite Betriebsmodus wäre hier nur mit relativ hohem Aufwand in Bezug auf Messaufwand und Rechenaufwand regelbar bezie hungsweise anwendbar.
Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung auch das sogenannte Staging von Energiewandlern, insbesondere Wechselrichtern. Damit wird bezeichnet, dass bei einer Parallelschaltung von Energiewandlern beziehungsweise Wechselrichtern ein Aktivie- ren beziehungsweise Deaktivieren von einzelnen Energiewand lern beziehungsweise Wechselrichtern während des bestimmungs gemäßen Betriebs möglich ist. Somit kann die Anzahl der akti vierten Energiewandler beziehungsweise Wechselrichter an eine aktuell benötigte Leistung angepasst werden, sodass ein opti mierter Wirkungsgrad bereitgestellt und eine Lebensdauer des hierdurch gebildeten Energiewandlersystems beziehungsweise Wechselrichtersystems erhöht werden kann. Zugleich ermöglicht es die Erfindung, ohne kostspielige galvanische Trennung der einzelnen Energiewandler beziehungsweise der einzelnen Wech selrichter, beispielsweise mittels Trenntransformatoren, beim Aktivieren beziehungsweise Deaktivieren eines einzelnen Ener giewandlers beziehungsweise Wechselrichters ungünstige Über gangsvorgänge wegen beispielsweise unterschiedlicher Schalt handlungen zwischen den einzelnen Energiewandlern beziehungs weise Wechselrichtern zu vermeiden. Aufgrund des Betriebs im zweiten Betriebsmodus kann hier eine sehr schnelle Stromrege lung erreicht werden, sodass die Übergangsvorgänge auch wäh rend des bestimmungsgemäßen Betriebs zuverlässig bewältigt werden können.
Die Steuereinheit ist ferner ausgebildet, während des bestim mungsgemäßen Betriebs des Energiewandlers zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus zu wechseln. Zu diesem Zweck kann ein Algorithmus zur Zustandsüberwachung und zum Modus wechsel vorgesehen sein, mit dem jederzeit zwischen den Be triebsmodi umgeschaltet beziehungsweise gewechselt werden kann. Dadurch kann eine automatisierte Anpassung des Energie wandlers beziehungsweise des Energiewandlersystems an jewei lige Verhältnisse erreicht werden. Zu diesem Zweck können An schlussspannungen am ersten und/oder am zweiten Anschluss so wie auch Anschlussströme am ersten und/oder am zweiten An schluss erfasst und ausgewertet werden. Das Wechseln kann von einer oder mehrerer Bedingungen abhängig sein, beispielsweise beim Staging vom Aktivieren und/oder Deaktivieren von einem oder mehreren Wechselrichtern eines Wechselrichtersystems, von einem Auftreten einer netzseitigen Störung bei einem Be trieb eines einzelnen Wechselrichters oder auch eines Wech- selrichtersystems , von Schaltverlusten und/oder dergleichen. Es können auch ein oder mehrere Parameter, beispielsweise Kreisströme oder dergleichen, überwacht werden und abhängig von einem jeweiligen erfassten Wert im Vergleich zu einem entsprechenden Vergleichswert ein Wechsel durchgeführt wer den .
Vorzugsweise ist das erste Netz als Gleichspannungszwischen- kreis ausgebildet und der Netzstrom ist der des zweiten Net zes. Dadurch kann der Energiewandler für eine Vielzahl von in der Technik genutzten Energiewandlungsfunktionen angepasst werden. Der Energiewandler kann zu diesem Zweck insbesondere ein Gleichspannungswandler beziehungsweise DC/DC-Wandler oder auch ein Wechselrichter oder dergleichen sein. Als Wechsel richter kann er dazu dienen, eine einphasige oder auch eine mehrphasige Wechselspannung am zweiten Anschluss bereitzu stellen. Als Gleichspannungswandler kann er am zweiten An schluss eine Gleichspannung bereitstellen .
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ausge bildet ist, einen Wechsel vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus unsynchronisiert durchzuführen. Dabei nutzt diese Weiterbildung, dass aufgrund der hohen Dynamik des zweiten Betriebsmodus ein Umschalten beziehungsweise Wechseln vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmo dus während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Energiewand lers gefahrlos ausgeführt werden kann. Es brauchen dem Grunde nach keine weiteren Betriebsbedingungen berücksichtigt zu werden. Die Steuereinheit kann aufgrund der erfassten Randbe dingungen entscheiden, dass der Wechsel vom ersten in den zweiten Betriebsmodus sinnvoll ist und diesen nahezu unmit telbar oder zu einem gewünschten Zeitpunkt ausführen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, einen Wechsel vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus abhängig von einem Taktzustand des PWM- Verfahrens durchzuführen. Dieser umgekehrte Wechsel vom zwei ten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus kann auch wäh- rend des bestimmungsgemäßen Betriebs durchgeführt werden. Hierbei sollte jedoch vorzugsweise beachtet werden, dass der Beginn des Taktzustands des PWM-Verfahrens derart berechnet beziehungsweise gegebenenfalls auch verzögert wird, bis zum Beispiel der Rippelstrom bei dem Betrieb nach dem zweiten Be triebsmodus möglichst klein wird. Insbesondere kann dadurch ein nahezu unterbrechungsfreier Moduswechsel ohne eine Puls sperre erreicht werden. Handelt es sich bei dem Energiewand ler um einen Wechselrichter für eine elektrische Maschine im Motorbetrieb kann hierdurch ein nahezu kontinuierlicher Dreh momentverlauf erreicht werden. Handelt es sich dagegen um ei nen Netzwechselrichter, kann dadurch erreicht werden, dass keine signifikant erhöhten Oberschwingungen oder andere un günstige Netzrückwirkungen auftreten. Zumindest kann jedoch dies reduziert werden.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Steuereinheit ausgebildet ist, den Wechsel zwischen dem ersten Betriebsmo dus und dem zweiten Betriebsmodus unterbrechungsfrei durchzu führen. Dadurch kann ein nahezu kontinuierlicher Betrieb des Energiewandlers auch während des Wechsels zwischen den Be triebsmodi erreicht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit wenigstens einen Integrator aufweist, wobei die Steuereinheit ferner derart ausgebildet ist, dass der Integrator im zweiten Be triebsmodus einen vorgebbaren Integratorzustand einnimmt. Diese Weiterbildung nutzt die Erkenntnis, dass im ersten Be triebsmodus die Regelung wenigstens einen Integrator nutzt, beispielsweise einen digitalen Integrator, um Regelabweichun gen, insbesondere bleibende Regelabweichungen zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden. Ist der zweite Betriebsmodus aktiviert, sollte dieser Integrator zumindest angehalten wer den. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Integrator auf null zu setzen oder auch durch fortgeführtes Berechnen von Integralanteilen derart zu setzen, dass sich eine ent sprechende Ausgangsspannung ergibt, sodass sich ein Netzstrom einstellen kann, wie er mit dem zweiten Betriebsmodus aktuell realisiert ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Netzstrom zeitdiskret erfasst wird, und eine Abtastrate abhängig vom jeweiligen Be triebsmodus eingestellt wird. Diese Weiterbildung nutzt die Erkenntnis, dass die Abtastrate für den zu erfassenden Netz strom abhängig vom jeweiligen Betriebsmodus eingestellt wer den kann. Für den ersten Betriebsmodus reicht es in der Regel aus, wenn eine Abtastrate in einem Bereich von zum Beispiel 5 kHz gewählt wird. Für den zweiten Betriebsmodus ist hingegen eine höhere Abtastrate zu empfehlen, die zum Beispiel bei 100 kHz liegt. Wird eine zeitdiskrete Regelung für den Netzstrom genutzt, können hier Soll-Spannungen, beispielsweise als Raumzeiger mit Betrag und Winkel, berechnet werden, aus denen der PWM-Modulator die erforderlichen Schalthandlungen für den jeweils nachfolgenden PWM-Takt berechnen kann.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Wechsel vom zwei ten Betriebsmodus zum ersten Betriebsmodus abhängig von einem Verzerrungsanteil des Netzstroms und/oder einer Verlustleis tung des Energiewandlers erfolgt. Dadurch kann vermieden wer den, dass ein vorhandener Verzerrungsanteil ansonsten zu nächst als Offset bestehen bleibt und von beispielsweise ei ner zeitdiskreten Stromregelung ausgeregelt werden muss. Dies kann zum Beispiel derart realisiert werden, indem zunächst entsprechende geeignete PWM-Impulsmuster berechnet werden und dann ein Start der Ausgabe des berechneten PWM-Impulsmusters und damit der Wechsel zwischen den Betriebsmodi verzögert wird, bis ein Stromfehler bei Betrieb im zweiten Betriebsmo dus einen vorgebbaren Vergleichswert unterschreitet. Anhand der im zweiten Betriebsmodus ausgegebenen Impulsmuster kann eine aktuelle Anschlussspannung berechnet werden und diese als Startwert, beispielsweise als integraler Anteil, von der zeitdiskreten Stromregelung genutzt werden. Durch die genann ten Maßnahmen können zum Beispiel Einschwingvorgänge in Bezug auf den Wechsel der Betriebsmodi reduziert werden. Sie sind jedoch nicht zwingend erforderlich. Anstelle eines PWM-Modulators kann beispielsweise auch ein Modulator mit zuvor berechneten, optimierten Pulsmustern ein gesetzt werden. Vorzugsweise sind hierdurch die Schalthand lungen für eine definierte Zeitspanne beziehungsweise einen definierten Zeitraum für die Zukunft in einem aktuellen Be rechnungszyklus festgelegt und der nächste Eingriff erst nach Ablauf dieser Schaltsequenz ermöglicht. Insbesondere kann ei ne Taktrate des PWM-Pulsmusters nach jeder Schaltperiode ge ändert werden, um ein Wobbeln zu erreichen. Hierdurch kann zum Beispiel eine Störleistung spektral auf viele Frequenzen verteilt werden, sodass zum Beispiel günstigere Ausgangsfil ter genutzt werden können. Dadurch kann ein Spannungs- Frequenz-Spektrum einer PWM-Modulation mit Wobbeln einem Spannungs-Frequenz-Spektrum einer direkten Stromreglung gemäß dem zweiten Betriebszustand ähnlich sein.
Es ist damit zu rechnen, dass nach einer Umschaltung bezie hungsweise einem Wechsel zwischen den Betriebsmodi Ein schwingvorgänge auftreten, die unterschiedliche stark ausge prägt sein können. Diese Einschwingvorgänge können nach einer Umschaltung beziehungsweise einem Wechsel zwischen den Be triebsmodi durch eine geeignete Wahl eines UmschaltZeitpunk tes beziehungsweise eines Wechselzeitpunktes und geeigneter Vorbelegungen in Bezug auf die jeweiligen Regelungen, insbe sondere integraler Anteile, reduziert werden. Der Übergang von einer PWM-Modulation zur direkten Stromregelung braucht jedoch keine besonderen Anforderungen an den UmschaltZeit punkt beziehungsweise den Wechselzeitpunkt zu stellen, weil aufgrund der hohen Dynamik der direkten Stromregelung ver bleibende Stromverzerrungsanteile bei dem Wechsel innerhalb eines PWM-Taktintervalls problemlos ausgeregelt werden kön nen. Während des ersten Betriebszustands kann der entstehende Rippelstrom erfasst werden und bei Wechsel zur direkten
Stromregelung gemäß dem zweiten Betriebszustand als Startwert für eine Schalthysterese, die durch wenigstens einen der Schaltwerte gebildet sein kann, für eine Schaltfrequenzrege- lung genutzt werden. Je nach Aufbau kann gegebenenfalls eine Umrechnung der im ersten Betriebsmodus erfassten Werte erfor derlich sein.
Die Umschaltung beziehungsweise der Wechsel vom zweiten Be triebsmodus zum ersten Betriebsmodus sollte dagegen möglichst zu einem Zeitpunkt erfolgen, bei dem ein Verzerrungsanteil im Netzstrom möglichst gering ist, weil ein vorhandener Verzer rungsanteil ansonsten zunächst als Offset bestehen bleiben würde und von der zeitdiskreten Stromregelung ausgeregelt werden müsste.
Vorzugsweise wird ferner vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite relative Schaltwert abhängig vom vorgebbaren Ver gleichsstrom gewählt werden. Hierdurch kann eine Hysterese bereitgestellt werden, innerhalb der der Rippelstrom im zwei ten Betriebsmodus ist. Einer der Schaltwerte kann auch durch den Vergleichsstrom gebildet sein. Ferner kann der erste Schaltwert größer als der vorgegebene Vergleichsstrom sein, wohingegen der zweite Schaltwert kleiner als der vorgegebene Vergleichsstrom sein kann. Besonders vorteilhaft sind der erste und der zweite Schaltwert im gleichen Abstand zum Ver gleichsstrom gewählt. Hierdurch kann symmetrisch zum vorgege benen Vergleichsstrom ein Hysteresefenster erreicht werden.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass automatisiert in den zwei ten Betriebsmodus gewechselt wird, wenn eine Störung beim ersten und/oder beim zweiten elektrischen Netz ermittelt wird. Tritt eine Störung in einem jeweiligen der Netze auf, kann eine schnelle Regelungsfunktionalität mit hoher Dynamik gewünscht sein, wie sie durch den zweiten Betriebsmodus rea lisiert werden kann. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Be triebs des Energiewandlers weiter verbessert werden. Die Stö rung in einem der elektrischen Netze kann zum Beispiel mit tels Spannungs- und/oder Strommessung am ersten beziehungs weise am zweiten Anschluss des Energiewandlers erfolgen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zum Bereitstellen einer In selnetzfunktionalität des Energiewandlers das Einstellen des Netzstroms abhängig von dem Vergleichsstrom deaktiviert und der Energiewandler im ersten Betriebsmodus betrieben wird, um am entsprechenden Anschluss eine vorgegebene elektrische An schlussspannung bereitzustellen. Die Funktionalität als
Stromquelle wird in diesem Betriebszustand vorzugsweise deak tiviert, und es kann eine vorgegebene Vergleichsspannung zum Einstellen der Anschlussspannung genutzt werden. Bezüglich des Einstellens der Anschlussspannung kann ebenfalls eine Re gelungsfunktionalität vorgesehen sein. Dadurch kann auf ein fache Weise bei einem Netzausfall automatisiert der Insel netzbetrieb aktiviert werden, sodass eine Energieversorgungs funktionalität nahezu kontinuierlich bereitgestellt werden kann .
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zum Aktivieren oder Deak tivieren von einem der wenigstens zwei Energiewandler des Energiewandlersystems während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Energiewandlersystems zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum höchstens einer der Energiewandler im ersten Be triebsmodus und die übrigen der Energiewandler im zweiten Be triebsmodus betrieben werden . Natürlich können auch sämtli che der Energiewandler im zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Ein solches Verfahren wird auch Staging genannt.
Hierdurch können die während des Aktivierens beziehungsweise Deaktivierens auftretenden Ausgleichsvorgänge aufgrund der hohen Dynamik der Regelung im zweiten Betriebsmodus reduziert wenn nicht sogar vollständig unterdrückt werden. Insbesondere kann hierdurch erreicht werden, dass eine galvanische Tren nung der Energiewandler, beispielsweise auf einer Wechsel spannungsseite, eingespart werden kann. Dadurch können Kosten und Gewicht reduziert werden.
Die für den erfindungsgemäßen Energiewandler angegebenen Vor teile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für das erfindungsgemäße Energiewandlersystem sowie für die er findungsgemäßen Verfahren und umgekehrt. Insbesondere können deshalb für Vorrichtungsmerkmale auch Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der folgen den Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beige fügten Figuren. In den FIG bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:
FIG 1 in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen
Wechselrichter als Energiewandler gemäß der Erfin dung, der ausgebildet ist, eine Zwischenkreis gleichspannung als erstes elektrisches Netz mit ei ner dreiphasigen Wechselspannung als zweites elekt risches Netz elektrisch zu koppeln;
FIG 2 eine schematische Blockschaltbilddarstellung für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einem Wechselrichter gemäß FIG 1;
FIG 3 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Ener giewandlersystems mit vier parallelgeschalteten Wechselrichtern gemäß FIG 1, die eine Zwischen kreisgleichspannung als erstes elektrisches Netz mit einer dreiphasigen Wechselspannung als zweites elektrisches Netz elektrisch koppeln;
FIG 4 eine schematische Diagrammdarstellung für einen
Netzstrom am wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters gemäß FIG 1 für eine einzelne Phase in einem zweiten Betriebsmodus;
FIG 5 eine schematische Diagrammdarstellung einer spekt ralen Energieverteilung für Netzstrom gemäß FIG 4;
FIG 6 eine schematische Diagrammdarstellung wie FIG 4 für den Netzstrom des Wechselrichters gemäß FIG 1, je doch hier in einem ersten Betriebsmodus des Wech selrichters; und FIG 7 eine schematische Diagrammdarstellung wie FIG 5 je doch für den ersten Betriebsmodus gemäß FIG 6.
FIG 1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung ei nen dreiphasigen Wechselrichter 10 als Energiewandler, mit tels dem ein Gleichspannungszwischenkreis 12 als erstes elektrisches Netz mit einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 14 als zweitem elektrischen Netz elektrisch gekoppelt wird.
Zu diesem Zweck weist der Energiewandler 10 einen ersten An schluss 16 zum Anschließen an den Gleichspannungszwischen kreis 12 sowie einen zweiten Anschluss 18 zum Anschließen an das dreiphasige Wechselspannungsnetz 14 auf.
Für jede Phase des dreiphasigen Wechselspannungsnetzes 14 ist eine jeweilige Wandlerinduktivität 20 sowie ein mit der je weiligen Wandlerinduktivität 20 elektrisch gekoppeltes
Schaltelement 22 vorgesehen, wobei der erste Anschluss 16 über die jeweilige Kombination der jeweiligen Wandlerindukti vität 20 mit dem jeweiligen zugeordneten der Schaltelemente 22 einen jeweiligen, nicht weiter bezeichneten Phasenan schluss des zweiten Anschlusses 18 elektrisch koppelt.
Der Wechselrichter 10 umfasst ferner eine Steuereinheit 24, die über jeweilige Steuerleitungen 34 mit einem jeweiligen der Schaltelemente 22 elektrisch gekoppelt ist, sodass die Schaltelemente 22 individuell mittels Steuersignalen beauf schlagt werden können. Die Steuereinheit 24 ist ausgebildet, die Schaltelemente 22 derart in einem Schaltbetrieb zu be treiben, dass der Wechselrichter 10 eine vorgebbare Energie wandlungsfunktionalität zwischen dem ersten und dem zwischen Anschluss 16, 18 bereitstellt . In der vorliegenden Ausgestal tung ist vorgesehen, dass am zweiten Anschluss 18 ein gere gelter Wechselstrom nach Art einer Stromquelle für jede Phase des Wechselspannungsnetzes 14 bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck ist die Steuereinheit 24 ausgebildet, einen jeweiligen Netzstrom einer jeweiligen Phase am zweiten Anschluss 18 ab hängig von einem Vergleich mit einem vorgebbaren Vergleichs- ström einzustellen. Die Steuereinheit 24 stellt also eine entsprechende Stromregelung bereit.
Der Vergleichsstrom ist vorliegend für jede Phase separat durch einen Soll-Wechselstrom vorgegeben. Die Steuereinheit 24 steuert nun die Schaltelemente 22 im Schaltbetrieb derart, dass durch die Wirkung der Wandlerinduktivitäten 20 der Soll- Vergleichsstrom möglichst gut angenähert werden kann. Dabei ist zu beachten, dass aufgrund des taktenden Betriebs der Schaltelemente 22 ein Stromverlauf erreicht wird, der von ei nem entsprechenden Rippelstrom, der durch den Schaltbetrieb der Schaltelemente 22 begründet ist, überlagert ist (FIG 4, FIG 6) .
Die Steuereinheit 24 ist vorliegend ausgebildet, den Schalt betrieb in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi bereitzustel len. In einem ersten Betriebsmodus für den Schaltbetrieb ist vorgesehen, die elektrische Anschlussspannung am Anschluss 18 für eine jeweilige Phase des Wechselspannungsnetzes 14 mit tels eines PWM-Verfahrens abhängig von dem Vergleich bereit zustellen. Zu diesem Zweck sind bezüglich des Wechselspan nungsnetzes 14 Spannungssensoren 44 vorgesehen, mittels denen eine jeweilige Phase der dreiphasigen Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes 14 erfasst werden kann. Die entspre chenden Messwerte werden über nicht dargestellte Leitungen einer Phase-Locked-Loop ( PLL) -Einheit 42 zugeführt. Diese er zeugt für die weiteren Einheiten der Steuereinheit 24 Signale bezüglich jeweiliger Phasenwinkel und der Frequenz der drei phasigen Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes 14. Diese Signale werden einer Stromregelungseinheit 38 zum zeitdiskre ten Stromregeln zugeführt.
Ferner erhält die Stromregelungseinheit 38 mittels
Stromsensoren 46 erfasste jeweilige Phasenströme beziehungs weise Netzströme am zweiten Anschluss 18, und zwar iu, iv, iw. Ferner werden der Stromregelungseinheit 38 Soll-Werte für die jeweiligen Phasenströme i* u, i* v, i* w zugeführt. Hieraus ermit telt die Stromregelungseinheit 38 Werte für eine aktuelle Soll-Spannung und einen aktuellen Soll-Winkel, die über je weilige Kommunikationsleitungen 48, 50 einen PWM-Modulator 36 der Steuereinheit 24 zugeführt werden. Der PWM-Modulator 36 erzeugt die entsprechenden Steuersignale, die über die Steu erleitungen 34 dem jeweiligen der Schaltelemente 22 zugeführt werden, sodass diese im bestimmungsgemäßen Taktbetrieb be trieben werden können.
Der erste Betriebsmodus stellt also eine indirekte Stromrege lung bereit, bei der durch Einstellen der jeweiligen elektri schen Spannung am zweiten Anschluss 18 ein entsprechender Stromfluss herbeigeführt werden soll.
Wie aus FIG 1 ersichtlich ist, sind die Signalleitungen 34 nicht unmittelbar an den PWM-Modulator 36 angeschlossen, son dern stattdessen über elektronische Umschalter 56 geführt.
Die elektronischen Umschalter 56 erlauben es, abhängig vom jeweils gewählten Betriebszustand die Steuersignale den
Schaltelementen 22 zuzuführen. In der in FIG 1 dargestellten Schaltstellung ist der erste Betriebsmodus aktiviert, sodass die Schaltelemente 22 gemäß einem PWM-Verfahren im Schaltbe trieb betrieben werden.
FIG 1 zeigt ferner, dass die Steuereinheit eine Direktstrom regelungseinheit 40 umfasst. Die Direktstromregelungseinheit 40 erhält als Eingangssignale neben der Information bezüglich des Phasenwinkels und der Frequenz von der PLL-Einheit 42 auch die erfassten Phasenströme iu, iv, iw, die mittels der Stromsensoren 46 erfasst worden sind, sowie die entsprechen den Soll-Ströme i* u, i* v, i* w, die auch der Stromregelungsein heit 38 zur Verfügung stehen. Die Direktstromregelungseinheit 40 umfasst ferner - in FIG 1 nicht dargestellt - einen ersten vorgebbaren relativen Schaltwert, der für jeden der Phasen ströme iu, iv, iw vorgegeben ist, und einen entsprechenden zweiten vorgebbaren relativen Schaltwert.
Der erste Schaltwert ist um einen vorgebbaren Abstandsbetrag zu jedem Zeitpunkt größer als der entsprechende Soll-Strom i* u, i* v, i* w, wohingegen der zweite Schaltwert jeweils ent sprechend kleiner ist. Die Beträge der entsprechenden Schalt werte sind vorliegend gleich gewählt. Sie können in alterna tiven Ausgestaltungen jedoch auch unterschiedlich voneinander gewählt sein. Durch die Schaltwerte wird ein Hysteresebereich um den jeweiligen der Strom-Sollwerte i* u, i* v, i* w bereitge stellt, der dazu dient, eine jeweilige Schalthandlung auszu lösen und entsprechende Steuersignale für die Schaltelemente 22 abzugeben. Zu diesem Zweck sind für jedes der Schaltele mente 22 individuelle Steuersignale auf die elektronischen Umschalter 56 geführt. Werden die elektronischen Umschalter 56 in die jeweils andere Schaltstellung umgeschaltet, liegt eine sogenannte direkte Stromregelung gemäß dem zweiten Be triebszustand der Steuereinheit 24 vor.
Die elektronischen Umschalter 56 sind zum Zwecke des Umschal tens an eine Moduswechseleinheit 52 angeschlossen. Mittels der Moduswechseleinheit 52 können abhängig von einer Zustand süberwachung die Betriebsmodi entsprechend umgeschaltet wer den. Damit eine nahezu störungsfreie Umschaltung möglichst auch im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wechselrichters 10 er reicht werden kann, werden sämtliche Einheiten der Steuerein heit 24 unabhängig vom jeweils aktivierten Betriebszustand aktiv gehalten. Dadurch kann nahezu beliebig zwischen den Be triebszuständen gewechselt werden.
Da die Stromregelungseinheit 38 einen nicht dargestellten In tegrator umfasst, und es zum Umschalten vom zweiten Betriebs zustand in den ersten Betriebszustand zweckmäßig ist, dass der Integrator nicht einen beliebigen Startwert aufweist, kann die Moduswechseleinheit 52 über eine Leitung 54 den In tegrator der Stromregelungseinheit 38 mit einem vorgegebenen Startwert beaufschlagen. Dadurch kann ein verbessertes Wech seln bezüglich der unterschiedlichen zwei Betriebsmodi wäh rend des bestimmungsgemäßen Betriebs des Wechselrichters 10 erreicht werden. Die FIG 4 bis 7 zeigen Auswirkungen des ersten und des zwei ten Betriebsmodus. Die FIG 4 und 5 beziehen sich auf den zweiten Betriebsmodus, wohingegen die FIG 6 und 7 sich auf den ersten Betriebsmodus beziehen. In den FIG 4 und 6 ist die Abszisse jeweils der Zeit zugeordnet, wohingegen in den FIG 5 und 7 die Abszisse jeweils der Frequenz zugeordnet ist. In den FIG 4 bis 7 ist die Ordinate jeweils dem relativen Netz strom einer Phase am Anschluss 18 zugeordnet.
FIG 4 zeigt für eine der Phasen repräsentativ am zweiten An schluss 18 einen Soll-Stromverlauf mittels eines Graphen 58. Ein tatsächlicher Strom, wie er mittels des jeweiligen der Stromsensoren 46 erfasst wird, ist mittels eines Graphen 60 dargestellt. Zu erkennen ist, dass durch den ersten und den zweiten Schaltwert ein Hystereseband symmetrisch in Bezug auf den Graphen 58 bereitgestellt wird, innerhalb dessen der tat sächliche Strom der jeweiligen Phase am Anschluss 18
schwankt. Es ist also ein entsprechender Rippelstrom überla gert. FIG 5 zeigt mittels eines Graphen 62 eine relative spektrale Verteilung des Stromverlaufs gemäß FIG 4, wie er anhand des Graphen 60 dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass eine sehr breite spektrale Verteilung gegeben ist.
FIG 6 zeigt in einer Darstellung wie FIG 4, wie sich der Stromverlauf gemäß des Graphen 60 verändert, wenn nun der erste Betriebsmodus anstelle des zweiten Betriebsmodus akti viert ist. Zu beachten ist bei der Darstellung gemäß FIG 6, dass die Größenverhältnisse des Rippelstroms nicht genau ge troffen sind. Tatsächlich ist der Rippelstrom, wie er sich anhand des Graphen 60 in FIG 6 ergibt, erheblich größer als der Rippelstrom, wie er mittels des Graphen 60 in FIG 4 dar gestellt ist.
FIG 7 zeigt die entsprechende relative spektrale Verteilung im ersten Betriebsmodus gemäß FIG 6. Zu erkennen ist, dass die spektrale Energie auf im Wesentlichen zwei Spitzen kon zentriert ist. Im Unterschied zum zweiten Betriebsmodus, bei dem, wie aus FIG 5 ersichtlich ist, die spektrale Energie breit verteilt ist, ist hier beim ersten Betriebsmodus die Energie schmalbandig verteilt. Sie ist zu einem großen Anteil auf die beiden Spitzen verteilt.
Im Folgenden soll nun der Betrieb des Wechselrichters 10 nä her erläutert werden. Betrachtet wird im Folgenden zunächst ein Fall, dass ein selbstgeführter Netz-Wechselrichter, der vorliegend als Wechselrichter 10 ausgebildet ist, in einem Normalbetrieb im ersten Betriebsmodus betrieben wird, und zwar in einem Schaltbetrieb gemäß einem PWM-Verfahren . Dabei soll es in der vorliegenden Ausgestaltung darum gehen, eine möglichst geringe Gesamtverzerrung der Spannung am zweiten Anschluss 18 und einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu errei chen .
Bei Auftreten einer Netzstörung, beispielsweise einer symmet rischen und einer unsymmetrischen Spannungsänderung, einem Phasensprung, einer Frequenzänderung, einer Netzimpedanzände rung, einem Phasenausfall oder dergleichen, kann die Dynamik im ersten Betriebsmodus ungenügend sein, um den Netzstrom weiterhin bestimmungsgemäß regeln zu können. In der Folge können deshalb starke Abweichungen vom Sollwert oder auch Überstrom- beziehungsweise Überspannungs-Schutzabschaltungen auftreten. Zudem wird in der Regel für die Auslegung und Pa rametrierung des PWM-Verfahrens eine definierte Dynamik einer Regelstrecke angenommen. Weicht die tatsächliche Regelstrecke aufgrund der Netzänderungen davon zu stark ab, so kann die Regelung instabil werden. Auch hier können Überstrom-/ Über- spannungs-Schutzabschaltungen sowie unzulässige Oberschwin gungen von Strömen und Spannungen die Folge sein.
Um die vorgenannte Problematik zu vermeiden, kann der Wech selrichter 10 daher wie folgt betrieben werden. Mittels der Moduswechseleinheit 52 kann eine entsprechende Betriebssitua tion erkannt werden, zum Beispiel aufgrund einer großen Re gelabweichung, aufgrund eines Erreichens eines Strom- oder Spannungsschwellwerts, aufgrund eines externen Signals oder dergleichen. Wird eine solche schwierige Betriebssituation erkannt, veranlasst die Moduswechseleinheit 52 einen Be triebsmoduswechsel vom ersten Betriebsmodus in den hochdyna mischen zweiten Betriebsmodus. Ist die schwierige Betriebssi tuation überwunden, beispielsweise indem Werte von Strömen und Spannungen sowie Frequenzen über einen vorgebbaren Zeit raum wieder innerhalb regulärer Grenzen sind, so kann wieder vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus zurück gewechselt werden. Da der zweite Betriebsmodus bezüglich des Wirkungsgrads ungünstiger ist, kann für den zweiten Betriebs modus auch eine maximale zulässige Betriebsdauer vorgegeben sein. Nach Erreichen der maximalen vorgegebenen Betriebsdauer kann dann ein automatisiertes Wechseln vom zweiten Betriebs modus in den ersten Betriebsmodus vorgesehen sein.
In der folgenden Betriebssituation wird der Fall betrachtet, dass ein Netz-Wechselrichter, der durch den Wechselrichter 10 gebildet ist, im Normalbetrieb mit direkter Stromregelung im zweiten Betriebsmodus arbeitet, weil eine robuste, hochdyna mische Betriebssituation an schwankenden Netzparametern im Vordergrund steht. Dies kann zum Beispiel bei einer Energie erzeugung oder als Energiespeicher der Fall sein. Zusätzlich ist hier auch die Fähigkeit gefordert, bei einer Netzstörung nahezu unterbrechungsfrei ein Inselnetz bereitzustellen, so- dass die Energieversorgung weiterhin sichergestellt werden kann .
Im Fall des Inselnetzbetriebs hat der Wechselrichter 10 die Aufgabe, die Spannung und die Frequenz im Netz zu regeln. Wirk- und Blindgrößen werden weitgehend durch die an das In selnetz angeschlossenen Verbraucher bestimmt und sind damit für den Wechselrichter 10 zunächst unbekannt und können über die Zeit stark variieren. Eine Vorgabe eines Vergleichsstroms für eine direkte Stromregelung im ersten Betriebsmodus für sämtliche denkbaren Betriebssituationen und Lastwechsel kann somit schwierig werden und einen großen Mess- und Rechenauf wand erfordern. Eine Spannungsregelung am zweiten Anschluss 18 im ersten Betriebszustand würde in dieser Betriebssituati on hingegen eine direkte Regelung für die Anschlussspannung bilden, sodass die Stromregelungseinheit 38 deaktiviert wer den kann. Entsprechende Sollwerte für die Anschlussspannung, die für den PWM-Modulator 36 erforderlich sind, können dann direkt aus einer übergeordneten Regelung für die Anschluss spannung und die Frequenz kommen.
Es wird daher in dieser Situation vorgeschlagen, bei einem unterbrechungsfreien Wechsel vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus zu wechseln und die Stromregelungsein heit 38 entsprechend zu deaktivieren. Eine Rückkehr in den stromregelnden Betriebsmodus kann erfolgen, wenn kein Span nungsquellenbetrieb für die Inselnetzbereitstellung mehr be nötigt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ei ne andere Energieerzeugung die Netzbildung übernimmt und der eigene Wechselrichter 10 wieder zur Regelung zum Beispiel der Zwischenkreisgleichspannung und der Versorgung seiner Last genutzt werden kann. Oder es könnte auch ein äußeres elektri sches Netz wieder vorhanden sein, sodass das Inselnetz zu nächst mit dem äußeren elektrischen Netz synchronisiert und dann elektrisch gekoppelt wird, woraufhin der Wechselrichter 10 dann unterbrechungsfrei in den stromregelnden Betrieb, insbesondere in den zweiten Betriebsmodus gewechselt werden kann .
Ein typischer Anwendungsfall hierfür ist auch, wenn der Wech selrichter 10 mit einem elektrischen Energiespeicher wie ei ner Batterie oder dergleichen am ersten Anschluss 16 gekop pelt ist, der zum Laden und Entladen Wirk- und Blindstrom- Sollwerte von einer übergeordneten Steuerung erhält und bei Ausfall des äußeren elektrischen Netzes unterbrechungsfrei ein Inselnetz bereitstellt .
FIG 2 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung einen Antriebsstrang 80. Der Antriebsstrang 80 weist eine elektrische Maschine 64 auf, die für einen dreiphasigen Be trieb ausgelegt ist. Die elektrische Maschine 64 ist an einen Energiewandler 66 angeschlossen, der seinerseits an einen Gleichspannungszwischenkreis 68 angeschlossen ist. An den Gleichspannungszwischenkreis 68 ist ferner ein weiterer Ener giewandler 70 angeschlossen, der ein weiteres dreiphasiges Wechselspannungsnetz bereitstellt, welches über eine Fil tereinheit 72 an einen Stromregler 74 angeschlossen ist. Der Stromregler 74 ist über ein dreiphasiges Schütz 76 an ein nicht weiter spezifiziertes elektrisches dreiphasiges Wech selspannungsnetz 78 angeschlossen.
In dieser Ausgestaltung kann der Energiewandler 66 und/oder der Energiewandler 70 durch einen Wechselrichter 10 gemäß FIG 1 gebildet sein. Der Antriebsstrang 80 kann zum Beispiel dazu dienen, in einer Fertigungsstraße eine mechanische Antriebs leistung bereitzustellen. Darüber hinaus kann der Antriebs strang 80 auch dazu dienen, elektrische Energie von der elektrischen Maschine 64 dem elektrischen Wechselspannungs netz 78 zuzuführen. Dieser Fall kann zum Beispiel auftreten, wenn die elektrische Maschine 64 in einem Windrad oder der gleichen angeordnet ist.
FIG 3 zeigt nun ein Energiewandlersystem 26 mit vier paral lelgeschalteten Wechselrichtern 10, wie sie bereits anhand von FIG 1 erläutert worden sind. Die jeweiligen ersten An schlüsse 16 sind an einen Gleichspannungszwischenkreis 12 ge meinsam parallel angeschlossen. Entsprechend sind die jewei ligen zweiten Anschlüsse der Wechselrichter 10 an ein drei phasiges Wechselspannungsnetz 14 parallel angeschlossen. In den Wechselrichtern 10 sind die Schaltelemente 22 vorliegend durch Halbbrückenschaltungen von Feldeffekttransistoren, und zwar vorliegend Insulated Gate Bipolar Transistoren (IBGT) gebildet. Die Funktion dieser Halbbrückenschaltungen ist im Stand der Technik umfänglich bereits diskutiert, weshalb von detaillierten Erläuterung in Bezug auf die Energiewandlung vorliegend abgesehen wird.
Die jeweiligen zweiten Anschlüsse 18 der Wechselrichter 10 sind über ein jeweiliges dreiphasiges Schütz 82 mit dem drei phasigen Wechselspannungsnetz 14 elektrisch gekoppelt.
Dadurch können die Wechselrichter 10 wahlweise vom Wechsel- spannungsnetz 14 getrennt werden. Zu erkennen ist ferner, dass die Steuereinheiten 24 über ein BUS-System 86 mit einem Bedienfeld 88 kommunikationstechnisch gekoppelt sind. Das BUS-System 86 ist vorliegend durch einen Profi-BUS als Feld- BUS gebildet.
An die jeweiligen zweiten Anschlüsse 18 sind ferner jeweilige Sensoreinrichtungen 84 angeschlossen, die über eine jeweilige Leitung 90 an die jeweilige Steuereinheit 24 angeschlossen sind. Über die Leitung 90 werden die entsprechenden Sensor signale an die Steuereinheit 24 übermittelt. Die Steuerein heit 84 ermittelt jeweilige Phasenspannungen und Phasenströme am jeweiligen der zweiten Anschlüsse 18.
Im Folgenden wird der Fall betrachtet, dass das Energiewand lersystem 26 im Normalbetrieb derart betrieben wird, dass seine Wechselrichter 10 im ersten Betriebsmodus betrieben werden, um eine möglichst geringe Gesamtverzerrung der Span nung an den jeweiligen Anschlüssen 18 und einen möglichst ho hen Wirkungsgrad bei der Parallelschaltung der Wechselrichter 10 erreichen zu können.
Das Energiewandlersystem 26 ist ausgebildet, ein sogenanntes Staging zu realisieren. Hierbei können, um eine Maximalleis tung der Gesamtanordnung an einen momentanen tatsächlichen Leistungsbedarf anpassen zu können, nicht benötigte Wechsel richter 10 abgeschaltet und mittels des Schützes 82 vom Netz getrennt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Energie wandlersystems 26 bei Teilleistung deutlich verbessert und die Lebensdauer erhöht werden, weil die Betriebsstunden für die einzelnen Wechselrichter 10 reduziert werden können.
Zum Zuschalten beziehungsweise Abschalten eines einzelnen der Wechselrichter 10 muss dieser für eine kurze Übergangszeit während des Strombereitstellens beziehungsweise des Stromab baus zu null, und zwar während das Schütz 82 noch im einge schalteten Schaltzustand ist, andere Ströme führen können, als die anderen aktivierten Wechselrichter 10. Dies erfordert es, dass unterschiedliche Schaltmuster beziehungsweise Aus gangsspannungen der einzelnen Wechselrichter 10 ermöglicht werden müssen, die wiederum hohe zirkulierende Ströme verur sachen können, die von dem ersten Betriebsmodus kaum be herrscht werden können. Im Stand der Technik ist es an dieser Stelle üblich, kostenintensive Trenntransformatoren zur Un terbindung derartiger zirkulierender Ströme einzusetzen.
Mit der Erfindung kann erreicht werden, dass die kosteninten siven Trenntransformatoren eingespart werden können. Dadurch kann der Staging-Einsatz nicht nur für wenige Spezialanwen dungen erreicht werden, sondern es eröffnet sich dadurch ein viel breiteres Einsatzgebiet, insbesondere bei Standardanwen dungen, in Bezug auf die Nutzung der Vorteile bezüglich des Teillastbetriebs .
Um das Zuschalten beziehungsweise Abschalten eines einzelnen Wechselrichters 10 zu ermöglichen, wird vorliegend vorge schlagen, sämtliche der Wechselrichter 10 im zweiten Be triebsmodus zu betreiben, das heißt, vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu wechseln. Die hohe Dynamik der direkten Stromregelung des zweiten Betriebsmodus ermög licht einen Parallelbetrieb auch bei unsynchronisierten
Schaltbefehlen bezüglich der Schaltelemente 22. Insbesondere kann erreicht werden, dass Stromvergleichswerte für den abzu schaltenden Wechselrichter 10 mit einer Rampenfunktion zu null geführt werden können. Erst dann wird das Schütz 82 ge öffnet. Nach Ablauf einer Öffnungszeit, zum Beispiel Auswer tung eines Rückmeldesignals oder dergleichen, können die wei ter aktiven Wechselrichter 10 dann wieder in den ersten Be triebsmodus zurückwechseln.
Für das Zuschalten eines einzelnen der Wechselrichter 10 wer den zunächst die bereits aktiveren Wechselrichter 10 in den zweiten Betriebsmodus versetzt. Das gleiche gilt auch für den zuzuschaltenden Wechselrichter 10. Das betreffende Schütz 82 wird geschlossen und der Strom des zusätzlichen Wechselrich ters kann nun über eine Rampenfunktion auf die Vergleichs- ströme der bereits aktiven Wechselrichter 10 geführt werden. Dabei ist zu beachten, dass deren Vergleichsströme natürlich entsprechend verringert werden, sodass der vorgebbare Gesamt stromwert erreicht werden kann. Sobald alle aktiven Wechsel richter 10 die gleichen Vergleichsströme erhalten, kann dann in den jeweils ersten Betriebsmodus zurückgewechselt werden.
Zu beachten ist, dass insbesondere im Dauerbetrieb bei paral lelgeschalteten Wechselrichtern 10 der zweite Betriebsmodus speziell angepasste Netzfilter erfordern kann. Andernfalls können erhebliche zusätzliche Bauteilbelastungen und Verluste auftreten. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, für das Zu schalten beziehungsweise Abschalten einzelner Wechselrichter 10 einen jeweiligen Zeitraum vorzugeben, der zum Beispiel 50 ms bis etwa 500 ms betragen kann. Innerhalb dieses Zeitraums kann dann das jeweilige Zuschalten beziehungsweise Abschalten ausgeführt werden. Die sich hierbei ergebenden ungünstigen Effekte können dadurch reduziert werden, sodass Anpassungen von Netzfiltern weitgehend vermieden werden können. Dies be trifft insbesondere auch eine Common-Mode-Induktivität im Netzfilter sowie auch eine aktive Dämpfung mit schneller Spannungsmessung im Netzfilter.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele dient ausschließ lich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht be schränken. Natürlich können Merkmale der Beschreibung nahezu beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Energiewandler (10) zum elektrischen Koppeln eines ersten elektrischen Netzes (12) mit einem zweiten elektrischen Netz (14) mit:
- wenigstens einem Schaltelement (22), und
- eine mit dem wenigstens einen Schaltelement (22) elektrisch gekoppelte Steuereinheit (24), die ausgebildet ist, das we nigstens eine Schaltelement (22) derart in einem Schaltbe trieb zu betreiben, dass der Energiewandler (10) eine vorgeb- bare Energiewandlungsfunktionalität bereitstellt, und wobei die Steuereinheit (24) ausgebildet ist, einen Netzstrom für eines der elektrischen Netze (12, 14) abhängig von einem Ver gleich des Netzstroms mit einem vorgebbaren Vergleichsstrom einzustellen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (24) ausgebildet ist,
- einen ersten Betriebsmodus für den Schaltbetrieb zum Ein stellen einer elektrischen Spannung an dem einen der Netze (12, 14) mittels eines PWM-Verfahrens abhängig von dem Ver gleich bereitzustellen, und
- einen zweiten Betriebsmodus für den Schaltbetrieb bereitzu stellen, in dem das wenigstens eine Schaltelement (22) dann geschaltet wird, wenn bei dem Vergleich eine Differenz zwi schen dem Netzstrom und dem vorgebbaren Vergleichsstrom grö ßer als ein erster vorgebbarer relativer Schaltwert und/oder kleiner als ein zweiter vorgebbarer relativer Schaltwert ist, wobei die Steuereinheit (24) ausgebildet ist, während des be stimmungsgemäßen Betriebs des Energiewandlers (10) zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus zu wechseln.
2. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Netz (12) als Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet ist und der Netzstrom der des zweiten Netzes (14) ist .
3. Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Steuereinheit (24) ausgebildet ist, einen Wechsel vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus unsynchronisiert durchzuführen.
4. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) ausgebil det ist, einen Wechsel vom zweiten Betriebsmodus in den ers ten Betriebsmodus abhängig von einem Taktzustand des PWM- Verfahrens durchzuführen.
5. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) ausgebil det ist, den Wechsel zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus unterbrechungsfrei durchzuführen.
6. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) wenigs tens einen Integrator aufweist, wobei die Steuereinheit (24) ferner derart ausgebildet ist, dass der Integrator im zweiten Betriebsmodus einen vorgebbaren Integratorzustand einnimmt.
7. Energiewandlersystem (26) zum elektrischen Koppeln eines ersten elektrischen Netzes (12) mit einem zweiten elektri schen Netz (14), mit wenigstens zwei Energiewandlern (10), die jeweils an das erste elektrische Netz (12) und an das zweite elektrische Netz (14) anschließbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energiewandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che ausgebildet sind.
8. Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlers (10), der ein erstes elektrisches Netz (12) mit einem zweiten elektri schen Netz (14) elektrisch koppelt, indem der Energiewandler (10) elektrische Energie mittels wenigstens einem Schaltele ment (22) wandelt, wobei:
- das wenigstens eine Schaltelement (22) derart in einem Schaltbetrieb betrieben wird, dass der Energiewandler (10) eine vorgegebene Energiewandlungsfunktionalität bereitstellt, und - ein Netzstrom für eines der Netze (12, 14) abhängig von ei nem Vergleich des Netzstroms mit einem vorgegebenen Ver gleichsstrom eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erster Betriebsmodus für den Schaltbetrieb bereitge stellt wird, bei dem eine elektrische Spannung an dem einen der Netze (12, 14) mittels eines PWM-Verfahrens abhängig von dem Vergleich eingestellt wird, und
- ein zweiter Betriebsmodus bereitgestellt wird, bei dem das Schaltelement (22) dann geschaltet wird, wenn bei dem Ver gleich eine Differenz zwischen dem Netzstrom und dem vorgege benen Vergleichsstrom größer als ein erster vorgegebener re lativer Schaltwert und/oder kleiner als ein zweiter vorgege bener relativer Schaltwert ist, wobei während des bestim mungsgemäßen Betriebs des Energiewandlers (10) zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus gewechselt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzstrom zeitdiskret erfasst wird, und eine Abtastrate abhängig vom jeweiligen Betriebsmodus eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel vom zweiten Betriebsmodus zum ersten Be triebsmodus abhängig von einem Verzerrungsanteil des Netz stroms und/oder einer Verlustleistung des Energiewandlers er folgt .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite relative Schaltwert abhängig vom vorgegebenen Vergleichsstrom gewählt werden .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass automatisiert in den zweiten Betriebsmodus gewechselt wird, wenn eine Störung beim ersten und/oder beim zweiten elektrischen Netz (12, 14) ermittelt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass zum Bereitstellen einer Inselnetzfunktio nalität des Energiewandlers (10) das Einstellen des Netz stroms abhängig von dem Vergleichsstrom deaktiviert und der Energiewandler (10) im ersten Betriebsmodus betrieben wird, um an dem entsprechenden der Netze (12, 14) eine vorgegebene elektrische Anschlussspannung bereitzustellen.
14. Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlersystems (26), mit dem ein erstes elektrisches Netz (12) mit einem zweiten elektrischen Netz (14) mittels wenigstens zwei Energiewand lern (10) elektrisch gekoppelt wird, die jeweils an das erste elektrische Netz (12) und an das zweite elektrische Netz (14) angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energiewandler (10) nach einem Verfahren der Ansprüche 8 bis 13 betrieben werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aktivieren oder Deaktivieren von einem der wenigstens zwei Energiewandler (10) während des bestimmungsgemäßen Be triebs des Energiewandlersystems (26) zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum höchstens einer der Energiewandler (10) im ersten Betriebsmodus und die übrigen der Energiewandler (10) im zweiten Betriebsmodus betrieben werden.
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