Ersatz für rotierende Massen

Virtuelle Schwungmasse für das Stromnetz der Zukunft

15. Februar 2017, 10:02 Uhr | Von Dr. Eberhard Waffenschmidt

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Variation der Zwischenkreisspannung

Für die Zwischenkreisspannung gilt wie an jedem Kondensator C, dass der Spannungsverlauf ΔUC(t) das Integral über der Zeit des Stromverlaufs ist. Solange die Zwischenkreisspannung U0 sich nicht allzu sehr ändert, ist die Leistung ΔP(t) aus dem Netz proportional zum Stromverlauf. Daraus resultiert:

increment U subscript c left parenthesis t right parenthesis equals 1 over C times integral fraction numerator increment P left parenthesis t right parenthesis over denominator U subscript 0 end fraction space d t

Verglichen mit Gleichung 2 heben sich Integral und Ableitung gegenseitig auf. Wird die Kapazität C durch die in ihr gespeicherte maximale Energie E0 beschrieben, ergibt sich:

fraction numerator increment U subscript c left parenthesis t right parenthesis over denominator U subscript 0 end fraction space equals space T subscript alpha times 1 half times P subscript 0 over E subscript 0 times fraction numerator increment f over denominator f subscript 0 end fraction

Die Änderung der Zwischenkreisspannung folgt direkt der Abweichung der Netzfrequenz und ist über einfache Konstanten verknüpft. Damit lässt sich auch einfach die erwartete Fluktuation der Zwischenkreisspannung aus gemessenen Frequenzdaten berechnen.

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Gemessene Netzfrequenz für eine exemplarische Stunde und die dementsprechend berechnete Fluktuation der Zwischenkreisspannung
Bild 4. Gemessene Netzfrequenz für eine exemplarische Stunde und die dementsprechend berechnete Fluktuation der Zwischenkreisspannung, berechnet mit einem Zwischenkreiskondensator mit einem Energiegehalt von 300 Ws.
© E. Waffenschmidt / TH Köln

Bild 4 zeigt noch einmal den exemplarischen Frequenzverlauf (rot) und den Verlauf der berechneten Spannungsvariation (blau). Während der beobachteten Zeit bleibt er innerhalb eines Fensters von ±3,6 % der Nennspannung. Das ist ein vergleichsweise kleiner Wert, den nachfolgende Regelstufen üblicherweise problemlos beseitigen können.

a: Verallgemeinertes Blockschaltbild,  b: Details der Regelschaltung
Bild 5. a: Verallgemeinertes Blockschaltbild eines PFC-Reglers mit virtueller Inertia-Frequenzregelung. b: Details der Regelschaltung. Die hinzugefügte virtuelle Intertia-Regelung wurde in Rot gezeichnet.
© E. Waffenschmidt / TH Köln

Grundidee für die Regelung

Schaltnetzteile, die eine gewisse Leistung überschreiten, müssen eine erste Stufe enthalten, die den Leistungsfaktor innerhalb gewisser Grenzen hält. Bei Leuchten-Treibern gilt das beispielsweise ab 25 W (EN 61000-3-2). Eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur (PFC) wird normalerweise als Hochsetzsteller ausgeführt [13]. Bild 5 zeigt eine typische Schaltung. Sie regelt den Leistungsfluss zum Zwischenkreiskondensator: Wenn die Zwischenkreisspannung fällt, benötigt die LED zu viel Leistung und der Regler erhöht den Strom und damit die Leistungsaufnahme aus dem Netz. Wenn die Zwischenkreisspannung zu hoch ist, reduziert er die Leistungsaufnahme. Im Allgemeinen versucht der Regler, die Zwischenkreisspannung auf einem vorgegebenen Wert zu halten. Dabei gibt es die einen oder anderen Probleme, welche aber hier nicht betrachtet werden sollen.

Die generelle Idee ist nun, den Regler sozusagen zu missbrauchen und um die virtuelle Inertia-Regelung zu erweitern. Das kann sehr einfach geschehen: Wie in Gleichung 4 dargelegt ist, muss die Zwischenkreisspannung der Frequenz folgen. Daher wird der Referenzwert für die Zwischenkreisspannung mit einer Offset-Spannung versehen, die proportional zur aktuellen Frequenzabweichung ist. Damit folgt die Zwischenkreisspannung der Frequenzabweichung und die Regelung der PFC sorgt dafür, dass die passende zusätzliche Leistung nach Gleichung 2 vom Netz bezogen oder abgegeben wird. Da das auch für die Frequenzabweichung gilt, sorgt die Regelung insbesondere dafür, dass die Zwischenkreisspannung immer innerhalb vorherbestimmter Grenzen bleibt.

 

Messungen an einer LED-Leuchte, Bilder 6-8

 Mit einem modifizierten LED-Treiber kann das Konzept für eine virtuelle Inertia-Regelung überprüft werden
© E. Waffenschmidt / TH Köln
Schaltplan der modifizierten PFC-Regelung
© Nora Kovacs
Messungen der Zwischenkreisspannung (orange) und der Eingangsleistung (blau) mit linear an- und absteigendem Regelsignal (rot).
© E. Waffenschmidt / TH Köln

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  1. Virtuelle Schwungmasse für das Stromnetz der Zukunft
  2. Variation der Zwischenkreisspannung
  3. Messung an einer LED-Leuchte

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