Wirkungsgrad-Optimierung
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Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Fachbereich E Elektrotechnik, Informationstechnik, Medientechnik 25.09.2013 Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Agenda Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Virtuelles Kraftwerk DEMS: Dezentrales Energiemanagementsystem XML: Extensible Markup Language OPC: Object linking and embedding for Process Control FTP: File Transfer Protocol TCP IP: Transmission Control Protocol, Internet Protocol Schnittstelle OPC BlockheizKraftwerk Heizkraftwerk Schnittstelle XML Photovoltaik-Anlage mit Batteriespeicher A = Automatisierungseinheit BiomasseKraftwerk SOFC-Brennstoffzelle A A Große virtuelle Windanlage A S Standleitung A Wählverbindung A W W Soll- und Istwerte A Kommunikationszentrale W W Deutscher Wetterdienst Wetterprognose für 3 Tage im Stundenraster W Zählerfernauslesung Modem / TCP IP Konzentrator W verteilte kleine Brennstoffzellen Rundsteuer-Kommandogerät, Gateway W Wertereihen ISDN GSM XML/OPC/FTP DEMS PC TCP IP/Profibus LAN Tageslastprofile (TLP) Kommunikations-Netz SIMATIC Automatisierung DEMS PC XML W Wetterstation verteilte Lasten (Wärme und Strom) Energiebezugs-/ einsatzoptimierung Einzelwerte Wertereihen Minütlich gemittelte Werte der Temperatur sowie Windstärke und -richtung W Wertereihen W Netzleitsystem Energiebörse Viele Energieerzeuger zu einem virtuellen Kraftwerk zusammenzuschließen,stellt die Informations- und Power Kommunikationstechnik EtwaBergischen bei Brennstoffzellen oder Nachtspeichereine Wettervorhersage. So müssen zum Stefan Soter Meter Seminar an der Universität Wuppertal vor eine besondere Herausforderung. heizungen können auch Rundsteuersysteme Beispiel Stromerzeuger auf der Basis regeWirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Quelle: Siemens AG Die Topologie des Zweistufenumrichters mit Spannungszwischenkreis wird in Abbildung 1.2 geeigt. Hochsetzstufe, Wechselrichter und Netzaufschaltrelais stellen die steuerbaren Komponenten er Schaltung dar; Messwerte von Strömen und Spannungen werden in den unterschiedlichen Stufen er Schaltung aufgenommen. Die Steuerungs-, Regelungs- und Überwachungsfunktionen werden eines Umrichters für die Netzeinspeisung on Blockschaltbild einem digitalen Signalprozessor (DSP) ausgeführt. Puffer- HochsetzKapazität stufe DC Wechselrichter Filter Netzaufschaltung Netzmessung DC Netz Brennstoffzelle UNetz Ansteuerung Ansteuerung Überwachung+Synchronisation Netzaufschaltung Ansteuerung IWR Netz-Stromregler AC Ansteuerung IDC UDC Laderegler DC UB Überwachung Zwischenkreis DSP Messen – Steuern – Regeln Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Abbildung 1.2: Blockschaltbild Brennstoffzellenwechselrichter Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern chter eine mit einem 50Hz-Sinusverlauf modulierte Spanuktivität einen 50Hz-Strom hervorruft. Aufgrund der beNetzwechselrichtertopologie mit Hochfrequenztransformator nnungshöhe wird der Strom direkt dem Netz zugeführt. IBZ INetz UBZ UBZ IBZ Stefan Soter UNetz UZK UZK UNetz INetz Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern logie mit 50Hz-durch(links) und Hochfrequenztransformator l 2: Zwischenkreisspannungs-Regelung — Welligkeit Zeitverlauf der Zwischenkreisspannungs- und nwert der pulsförmigen Zwischenkreisbelastung durch die Wirkleistungsabgabe an N Eingangsstrom-Welligkeit Last. 2ms/DIV Iein [5A/DIV] Uzk [100V/DIV] Iaus [1A/DIV] Stefan Soter Iein,ac [500mA/DIV] Uzk,ac [10V/DIV] Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Abbildung 2.3: Zeitverlauf der Zwischenkreisspannungs- und Eingangsstrom-Welligkeit Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Stromgesteuerte Stromregelung (prinzipieller Verlauf) itel 3: Netzparallelbetrieb — Stromregelung Abbildung 3.2: Stromgesteuerte Stromregelung (prinzipieller Verlauf) Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern 1 3 Schaltzustände der Ausgangsbrücke Abbildung 3.2: Stromgesteuerte Stromregelung (prinzipieller Verlauf) 1 T1 UDC(>0) 3 T3 T1 UPWM(>0) T2 T4 T1 T3 UNetz(>0) INetz(>0) UDC(>0) T3 UPWM(<0) T2 T4 T1 T3 2 UDC(>0) UPWM(≅0) T2 UNetz(<0) INetz(<0) UNetz(<0) INetz(<0) 4 UNetz(>0) INetz(>0) UDC(>0) T4 UPWM(≅0) T2 T4 Abbildung 3.3: Schaltzustände der Ausgangsbrücke Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern ¨ (5) .42 zeigt die Zeitverläufe von UNetz und IW R 46 vor Beginn der Oberschwingung Aktive Netzoberwellenkompensation er Verlauf der Netzspannung vor Beginn der Oberschwingungskompensation ze Zeitverlauf von UNetz und IWR ohne achung der Spannungsspitze; der Stromverlauf besteht bis auf einen durch die Oberschwingungskompensation vorgerufenen Verzerrungsanteil ausschliesslich aus einem Grundschwingungsant 2ms/DIV Unetz [100V/DIV] Iwr [1A/DIV] iDFT(Iwr) [1A/DIV] Stefan Soter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal bildung 3.42: Zeitverlauf von UNetz und IW R Power ohneMeter Oberschwingungskompensation Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Netz WR Aktive Netzoberwellenkompensation e Netzimpedanz führt die Oberschwingungskompensation nur zu einer geringe tzspannungsform, Wechselrichter eingespeiste Strom üb Zeitverlauf von während UNetz undder IWRvom mit Oberschwingungskompensation l an Harmonischen verfügt (siehe Abbildung 3.43). 2ms/DIV Unetz [100V/DIV] Iwr [1A/DIV] iDFT(Iwr) [1A/DIV] bbildung 3.43: Zeitverlauf von UNetz und IWPower Oberschwingungskompensation R mit Stefan Soter Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Netzimpedanz stellt sich nach Abschluß der Oberschwingungskompensation ei Aktive Netzoberwellenkompensation der aus den durch die Oberschwingungskompensation bestimmten Frequenzko Zeitverlauf von UNetz und IWR mit Kompensation und erhöhter Der Netzspannungsverlauf wird nahezu ausschliesslich durch die Grundschwin Netzimpedanz ntspricht damit näherungsweise der Idealform (siehe Abbildung 3.45). 2ms/DIV Unetz [100V/DIV] Iwr [1A/DIV] iDFT(Iwr) [1A/DIV] Stefan Soter Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal ung 3.45: Zeitverlauf von UNetz und IW R mitPower Kompensation und erhöhter Netzimpeda Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern folgt ein Freilauf über den MOSFET-Kanal, kommutiert der Transformatorstrom auf die Kanäle Schaltmusteroptimierung durch aktiven Freilauf r eingeschalteten MOSFETs und einen Zweig des Eingangskreises. Die treibende Spannung am 56 : ansformator besteht hierbei aus den Spannungsabfällen an den geschalteten Transistoren Vereinfachtes Schaltbild des Wechselrichters, Schaltzustände Eingangsbrücke Utr = 2 × |UDS | IBZ FC der (6.2) IZK DC UdsT1 UBZ FC UdsT2 Itr Utr UNetz Net UZK DC UdsB2 mit ohne with without Freilauf Freilauf freewheeling freewheeling UdsB1 INetz inj Abbildung Schaltzustände der an Eingangsbrücke Stefan Soter 6.8: Vereinfachtes Schaltbild des Wechselrichters,Power Meter Seminar der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern 57 Schaltmusteroptimierung durch aktiven Freilauf Kapitel 6: Wirkungsgrad-Optimierung Eingangsbrücken-Freilauf Zeitverlauf von Strom und — Spannung ohne/mit Freilauf Utr [40V/DIV] Utr [40V/DIV] Itr [20A/DIV] Itr [20A/DIV] UdsT1 [40V/DIV] UdsT1 [40V/DIV] UdsB1 [40V/DIV] UdsB1 [40V/DIV] UgsT1 UgsT1 UgsB1 UgsB1 UgsT2 UgsT2 UgsB2 1µs/DIV UgsB2 1µs/DIV Utr [40V/DIV] Utr [40V/DIV] Itr [20A/DIV] Itr [20A/DIV] UdsT1 [40V/DIV] UdsT1 [40V/DIV] UdsB1 [40V/DIV] UdsB1 [40V/DIV] UgsT1 UgsT1 UgsB1 UgsB1 UgsT2 UgsT2 UgsB2 1µs/DIV Stefan Soter 114 UgsB2 1µs/DIV Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung Abbildung durch Oberwellenkompensation mitStrom resonanten Reglern mit/ohne Freilauf 6.13: Zeitverläufe von und Spannung Abbildung 6.14: MOSFET-Temperaturen bei 200W (links) und 400W Ausgangsleistung Schaltmusteroptimierung durch aktiven Freilauf dem Schnittpunkt der Kennlinien für den Betrieb mit bzw. ohne Freilauf können die Parameter Verlustleistungs-Kennlinie Freilauf e Hysteresefunktion zur Aktivierung bzw.ohne/mit Deaktivierung des Freilaufs gewonnen werden. 75 ohne Freilauf mit Freilauf Verlustleistung [W] 65 55 45 35 25 15 100 Stefan Soter 150 200 250 300 350 Ausgangsleistung [W] 400 450 500 Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Abbildung 6.15: Verlustleistungs-Kennlinien mit/ohne Freilauf te der berechneten Zwischenharmonischen-Amplitude angewendet wird. Für die Aufschaltung des Teststromes auf den Stromsollwertverlauf der Ausgangsstrom-Regelung wird somit eine zweifache Modulation (mit der Pulsationsfrequenz fP und der Zwischenharmonischen-Frequenz fHarm ) durchUmrichtersignatur und Netzausfallerkennung geführt, während die Identifikation der resultierenden Spannungskomponente mittels einer zweifa41 desPrinzipverlauf Blockschaltbild und für chen Demodulation gemessenen Netzspannungsverlaufs erfolgt. Das entsprechende Strukturbild für die Aufschaltung der zwischenharmonischen Stromkomponente und die Bestimmung der Zwischenharmonischen-Pulsation resultierenden Netzspannungskomponente ist ebenso wie der Prinzipverlauf der Signale in Abbildung 3.28 dargestellt. Impedance ImpedanzBerechnung Calculation Iˆmax Harmonic Pulsation Amplitude der Harmonischenamplitude Pulsation (De-)Modulation Harmonic der (De-)Modulation Harmonischen Modulation Îmax Modulation Îharm Iˆharm (t ) TP = 1/fP I harm (t ) IISoll set (t ) Tharm = 1/fharm current StromRegler loop I inj (tt) IWR Uˆ Z= max Iˆ 10ms/DIV Netz grid max Spannungsvoltage measurement messung DFT Û max Ûmax Uˆ harm (t ) DFT Ûharm UUNetz net (t ) 100ms/DIV fP fharm Unetz [100V/DIV] Modulation Îwr [1/DIV] Iwr [1A/DIV] Abbildung 3.28: Blockschaltbild (links) und Prinzipverlauf für Zwischenharmonischen-Pulsation Zur Demonstration der Wirksamkeit der Methode zeigt Abbildung 3.29 die Ergebnisse der NetzPower Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal impedanzmessung eines Wechselrichters vor (’Einzelbetrieb’) und nach (’Parallelbetrieb’) der AufWirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern schaltung eines weiteren Wechselrichters. Ohne Pulsation führt die Impedanzmessung des zweiten Stefan Soter Wechselrichter-Prototyp Modularer Aufbau Eingangsspannung: 40-80V DC Ausgangsspannung: 230Veff AC Nennleistung: 1000W Gesamtwirkungsgrad: 88% Netzausfallerkennung Reduktion von Netzoberwellen Inselnetzfähigkeit Automatische Netzaufschaltung Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern s stellen sich mehrere voneinander getrennte Bereiche mit besonders hohen Wirkungsgraden e as Hauptoptimum befindet sich in der Umgebung des Arbeitspunktes < P = 500W,Uein = 60V h., der höchste Wirkungsgrad wird - wie beabsichtigt - bei mittleren Leistungen (typischer Arbei unkt bei wärmegeführter Kraft-Wärme-Kopplung) Eingangsspannungen Gesamtwirkungsgrad als Funktion und dermittleren übertragenen Leistung(resultiere us der Brennstoffzellen-Kennlinie) erreicht. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0W 200W η bei Uein=40V Stefan Soter 400W 600W η bei Uein=60V 800W 1000W η bei Uein=80V Abbildung 6.19: Gesamtwirkungsgrad als Funktion der übertragenen Leistung Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern Entwicklungspotenziale von Netzeinspeiseumrichtern: Verbesserung der Netzspannungsqualität durch Oberwellenkompensation Wirkungsgradsteigerung durch Schaltmusteroptimierung Möglichkeit der Netzausfallerkennung bei Parallelbetrieb von Umrichtern Aufbau eines Umrichters für Brennstoffzellen Ausblick Leistungsfähige und günstige Prozessoren und Bauelemente ermöglichen neue Konzepte zur Netzeinspeisung. Es besteht Forschungs- und Entwicklungsbedarf! Stefan Soter Power Meter Seminar an der Bergischen Universität Wuppertal Wirkungsgradoptimierung durch Oberwellenkompensation mit resonanten Reglern
