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KOMPONENTEN DES WECHSELRICHTERS

SUMMARY

This chapter presents the models of the single inverter components without any claim of scientific novelty. The part models are aggregated into one single inverter model and are used subsequently for the development of a model of a complete inverter driven power grid. The main components of the VSI are droop control, current control, pulse generator, coupling inductivity with filter, PLL and the measurement filters. Most components do not have a major influence on the system dynamics, as these are mostly determined by the component with the largest time constant.

The final model is displayed in figure 16 on page →.

EINLEITUNG

In diesem einführenden Kapitel geht es um die Modellierung der einzelnen Komponenten eines Wechselrichters. Die Modelle werden ausgehend von den Hauptkomponenten eines selbstgeführten Stromrichters entwickelt, die für das regelungstechnische Verhalten und dessen Betrachtung im Frequenzbereich relevant sind. Dabei werden sicherheitstechnische Beschaltungen und informationstechnische Vernetzung nicht betrachtet, sondern ausschließlich der erweiterte Leistungsstrang behandelt. Das Kapitel fasst die schon vorhandene Technologie für die weiteren Betrachtungen zusammen und erhebt keinen Anspruch auf Neuheit.

Das Modell des Wechselrichters wird in den nachfolgenden Kapiteln zur Modellierung des verteilten Wechselrichternetzes herangezogen.

2.1 GENERELLE FUNKTIONSBESCHREIBUNG

This work only concerns grid inverters, not motor inverters.

Ein Wechselrichter erzeugt aus einer Gleichspannungsquelle (DC) mithilfe von schnellen Halbleiterschaltern und einer Glättungsinduktivität eine Wechselspannung (AC). Motorwechselrichter regeln den Strom durch eine angeschlossene Maschine und Netzwechselrichter regeln den ins Netz einzuspeisenden Strom oder die am Anschlusspunkt zu haltende Spannung. Diese Arbeit betrifft ausschließlich Netzwechselrichter.

2.1.1 Einschalten und Hochfahren

After power-on a phase locked loop detects a power signal at the power clamps. If no power signal (grid) is present, then the PLL provides an internal reference signal to the inverter.

Nach dem Einschalten detektiert ein Phasenregelkreis (phase locked loop - PLL) ein Signal am Netzanschlusspunkt des Wechselrichters. Ist kein Netz jenseits des Leistungsschützes vorhanden, so muss der Wechselrichter sein eigenes Netz aufbauen und die PLL nutzt dazu ein intern erzeugtes Referenzsignal mit Nennfrequenz. Wird ein schon vorhandenes Signal ausreichender Amplitude erfasst, rastet die PLL darauf ein.

Nach dem Einrasten startet die Pulserzeugung mithilfe der Modulationseinheit (PWM). Diese kann über verschiedene Verfahren geregelt werden, z.B. Raumzeigermodulation [KZ02], vorausberechnete Pulsmuster oder auch Zweipunktregler [FJ95].

Während der Einspeisung glättet die hinter der PWM liegende induktive Drossel den durch Rechteckspannungsimpulse erzeugten Strom aufgrund des Tiefpassverhaltens zu einer oberschwingungsbelasteten Sinusschwingung.

If a grid is already present, the inverter must synchronise on the grid based on the signal detected by the PLL.

Das vom Wechselrichter erzeugte Spannungssignal muss auf die evtl. am Netzanschluss schon vorhandene Spannung synchronisiert werden. Sobald die Synchronisation abgeschlossen ist, können die Leistungsschalter angesteuert, das Leistungsschütz geschlossen und in den gewünschten Regelmodus gewechselt werden.

2.1.2 Leistungsaufteilung im Inselnetz

In a micro grid, an inverter cannot inject all available active power.

Anders als ein netzstarr verbundener Solarwechselrichter mit Maximum- Power-Point (MPP) Regelung, speist der hier betrachtete Inselwechselrichter nicht maximale Wirkleistung ein. Der Inselwechselrichter agiert als Spannungsquelle im selbst aufgebauten Netz und erhöht über die Pulsmuster den sinusförmig eingespeisten Strom so weit, bis sich am Netzanschlusspunkt der gewünschte Spannungswert einstellt.

In droop control mode, the inverter adjusts its injection frequency and voltage amplitude according to the currently provided active and reactive power. Other droops are possible.

Im sog. Statikbetrieb werden, abhängig von Wirk- und Blindleistung, Frequenz und Spannungsamplitude am Netzanschlusspunkt entsprechend der in 2.6 auf Seite → näher erläuterten Statikkennlinien verändert.

Beim Speisen in ein starres Netz kann der Wechselrichter Blindleistung einspeisen, indem er seine Phase gegenüber der starren Netzspannung verstellt. Im Inselnetz bestimmt der Wechselrichter selbst1 die Spannungsphase im Netzanschlusspunkt und die Blindleistung stellt sich aufgrund der Lastsituation an seinen Klemmen ein. Die eingespeiste Blindleistung kann nicht mehr durch Phasenverschiebung festgelegt werden, sondern steht in Wechselwirkung mit den anderen Wechselrichtern.

Aufgrund der statikbasierten Anpassung von Frequenz und Spannung an Wirk- und Blindleistung teilen sich alle Wechselrichter die Lastversorgung nach jeder Änderung der Lastsituation, d.h. einem dazukommenden oder wegfallenden Verbraucher (oder Wechselrichter), wieder gemäß ihrer Nennleistung auf und garantieren so eine gleichmäßige Lastverteilung.

Due to the common droop control, all inverters in the grid share the same amount of power according to their rated power.

Die folgenden Abschnitte betrachten die einzelnen Komponenten des Wechselrichters und ihre regelungstechnische Modellierung und gehen im Detail auf ihre Funktionsweise ein.

2.2 ÜBERSICHT

Ein Wechselrichter besteht im Allgemeinen aus den folgenden Hauptkomponenten2:

The main components of the VSI are DC source, droop control, current control, pulse generator, PLL, coupling inductivity with filter, and the measurement filters.

1. 1. Gleichspannungsquelle, gespeist durch eine Primärenergiequelle
2. 2. Spannungsregelung oder Leistungsregelung
3. 3. Unterlagerte Stromregelung
4. 4. Pulserzeugung durch Pulsweitenmodulation (PWM) und Schalterbrücke
5. 5. PLL zur Frequenzmessung und als Signalgeber für die Pulserzeugung
6. 6. Kopplungsinduktivität und Filter
7. 7. Signalmessfilter zur Messung von Strom und Spannung

At the point of connection (POC) voltage and current are measured and P and Q are calculated and fed into the droop control. The current controller uses the droop’s reference signal to generate a control signal for the PWM and the switches. The switched signal is fed into an inductive filter to form the sinusoid voltage.

Die vereinfachte Struktur eines Wechselrichters ist in Abbildung 1 in Form eines Akteursnetzes [Tab05] dargestellt.

Am Netzanschlusspunkt werden Strom iVSI und Spannung ugrid gemessen und Wirkleistung P und Blindleistung Q berechnet. Diese gehen in die Statik ein, die daraus eine Frequenz f, eine Phase θ und eine Spannungsamplitude û bestimmt. Der Stromregler generiert daraus, ggf. zusammen mit der über die PLL gemessenen Frequenz fpll, das Kontrollsignal uctrl für die PWM. Diese erzeugt mit einem Hochfrequenzsignal z einen Steuervektor x für die Schalterbrücke, welche mithilfe der Gleichspannung uDC die hochfrequente Wechselrichterspannung uVSI erzeugt und auf die Filterspule schaltet. Aus der Differenz von Wechselrichterspannung und Netzspannung ergibt sich ein Wechselrichterstrom iVSI.

Die folgenden Abschnitte erläutern im Einzelnen die Basiskomponenten und fügen dann ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild zusammen.

2.3 OPERATIONSMODI

Bestimmend für die Dynamik des Wechselrichters ist seine gewählte Regelung. Im wechselrichtergeführten Inselnetz ist dies die Statikregelung über Kennlinien von allen im Netz verteilten Wechselrichtern. Das Erreichen der Statikregelung vom Moment des Einschaltens soll hier noch einmal detailliert beschrieben werden.

Synchronisation with an existing grid is necessary before changing into droop mode. Other operation modes are possible, e.g. injection of fixed power values.

Die Wechselrichtersteuerung kann i.A. in verschiedenen Modi arbeiten. Zuerst muss die Synchronisation mit dem potentiell schon an den Klemmen vorhandenen Netz sichergestellt werden. Wenn Quelle und Netz synchronisiert sind, kann in den Statikbetrieb geschaltet werden. Andere Betriebsmodi sind ebenfalls möglich, z.B. feste Leistungseinspeisung o.ä.. Die Betriebszustände können mit einem Zustandsautomaten (final state machine - FSM) realisiert werden.

2.3.1 Synchronisation

Während der Synchronisation auf das schon vorhandene Netz ist das eventuell vorhandene Leistungsschütz noch offen.

Eine PLL detektiert Frequenz und Phase des an den Klemmen anliegenden Netzes und erzeugt daraus ein phasengleiches Referenzsignal, das in die Stromregelung geführt wird. Die Stromregelung erzeugt ein amplitudenund phasenkorrigiertes Referenzsignal für die PWM. Ist kein Trennschütz vorhanden, können die Leistungsschalter vor Erreichen der Synchronisation nicht angesteuert werden.

All changes to voltage frequency, amplitude and phase...