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Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß 02.02.2011 1
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßProf. Dr.-Ing. Armin Dietz
Georg-Simon-Ohm Hochschule Nürnberg
Untersuchung der Regelung für maximale Leistung (MPP=maximal power point)
in einem Einphasen Wechselrichter
Institut für Leistungselektronische Systeme
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
Verbesserung der Qualität der Lehre
PraxisbezugAktualität der Forschungsprojekte
IndustriekontakteTeamarbeit und -organisation
Projektmanagement
IndustrieprojekteStromrichterPrototypenentwicklung Dienstleistungen
Grass Power Electronics GmbH
Aktivitäten
Leistungselektronik-Simulation-Steuerverfahren-Blindleistung, EMV-Prototypen bis 300 kW-IGBT Ansteuerung
Antriebstechnik:-Kfz Antriebe-Wirkungsgrad-Umrichterbetrieb-Prüfung
Microcontroller, FPGA:-Modularität-Eigenverbrauch-Objektorientiert (UML)-Modulationsverfahren-Messtechnik
Energieversorgung:-Dezentrale Einspeiser-Smart Grids-Energiemangement-Netzqualität
Angewandte Forschung und Entwicklung,
Institut ELSYS
10.02.2011 2
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß 10.02.2011 3
Das ELSYS Team
Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
ECPE (European Center of Power Electronics)
CompetenceCentre
Bay. Cluster „Leistungselektronik“ ClusterbeiratProf. Graß
Cluster „Mechatronik und Automation“ MitgliedELSYSProf. Dietz
IEEE IAS (Industrial Applications Society)Electrostatic Processes Comittee (EPC)
EPC Vice ChairProf. Graß
Organisationen
10.02.2011 4
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
Leistungsoptimierung eines Solarwechselrichters
1
2
PP
=η
Aufbau
10.02.2011 5
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
Leistungsoptimierung eines Solarwechselrichters
Kennlinien Solargenerator
790W 1,5kW
MPP90° Einstrahlung
30° Einstrahlung
10.02.2011 6
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
Leistungsoptimierung eines Solarwechselrichters
Messungen
30°Einstrahlung 90°Einstrahlung
Leistung P1 Leistung P2
Spannung U1 Strom I1
10.02.2011 7
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
Leistungsoptimierung eines Solarwechselrichters
Anzeige Wirkungsgrad
30°Einstrahlung 90°Einstrahlung
10.02.2011 8
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßELSYS Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
Leistungsoptimierung eines Solarwechselrichters
Trendanzeige Wirkungsgrad
30°Einstrahlung 90°Einstrahlung
Wirkungsgrad η
95,00%
96,25%
10.02.2011 9
Prof. Dr.-Ing. Norbert Graß
Prof. Dr.-Ing. Norbert GraßProf. Dr.-Ing. Armin Dietz
Ohm-Hochschule Nürnberg Institut ELSYSKeßlerplatz 1290489 Nürnberg
Tel.: +49 (911) 5880 [email protected]@ohm-hochschule.dehttp://www.elsys-online.de
Vielen Dank
10.02.2011 10
02.02.2011 1
Prof. Dr.-Ing. Norbert GrassProf. Dr.-Ing. Armin Dietz
Georg-Simon-Ohm University of Applied Sciences Nuremberg
Aktives Oberschwingungsfilter
Institute for Power Electronic Systems
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Wirkung von Oberschwingen im Netz
2
Neutralleiter: Oberschwingungsströme durch 3 teilbarer Ordnung addieren sich (Erklärung nächste Folie)
Transformatoren:Wirbelströme steigen mit Quadrat der Ordnungszahl VerlusteBeanspruchung Isoliersystem (Wicklungskapazitäten)GeräuscheOS drei teilbarer Ordnung bei Dreieckschaltung im Trafo zu Null addiert
Kompensations-Kondensatoren: Zusatzverluste 1/(ωC)Geräusche
Leitungen: Skineffekt Zusatzverluste
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Oberschwingungsanalyse
3
∑
∫
∫
∫
+=
=
+=
−=+
=
=
=
)sin()(
arctan
)cos()sin()cos(
)sin()(1
)cos()(1
)(21
22
2
0
2
0
2
0
0
νν
ν
νν
ννν
νννν
π
ν
π
ν
π
ϕνω
ϕ
ϕνωνωνω
ωνωωπ
ωνωωπ
ωωπ
tctxba
bac
tctbta
tdttxb
tdttxa
tdtxa (Gleichanteil)∑−
=
−=
1
0
**2
*1 N
n
Nknj
nk exN
Xπ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
+=
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬
⎫
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
∑
∑−
=
−
=
kb
kak
kbkak
N
nnkb
N
nnka
xxxxx
Nknx
NX
Nknx
NX
arctan**2sin*1
**2cos*1 22
1
0
1
0
ϕπ
π
Diskrete Fourier Transformation:
N: Anzahl der Abtastpunkte pro Periodek: Nummer der Oberschwingung
A
N
TxN
X ⋅⋅= ∑1
1ν
Amplitude Phase
Mathematische Herleitung:
ν: Ordnung der Oberschwingungω= 2πf: Kreisfrequenzx(t): Zeitfunktion (Spannung oder Strom)
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Effektivwert und Leistung
4
ννν
π
ϕϕϕ
ϕ
ωωωπ
cos...coscos
cos
)()(21
222111
11
2
0
∑
∫
⋅=
+⋅⋅+⋅⋅=
⋅⋅=
⋅=
IUPIUIUP
IUP
tdtituP
W
W
effW
W
• bei Spannungsoberschwingungen
mit Iν: Effektivwert Oberschwingung
• bei starrem Netz (keine Spannungsoberschwingungen, nur Stromoberschwingungen)
Wirkleistung wird nur durch Grundschwingung übertragen
Oberschwingungen von Spannung und Strom gleicher Ordnung übertragen Wirkleistung
(ohne Herleitung)
• Effektivwertberechnung: 2 2 2 21 2 3 ... NI I I I I= + + + +
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Blind-, Scheinleistung für Grundschwingung
1
11
21
211
221
2
221
2
1111
cos
sin)sin()cos()(
)sin()cos()(sin
SP
QPS
DSS
IUQQD
IUQtbtatu
tbtatiIUQ
uu
ii
=
+=
+=
=−=
⋅⋅=+=+=
⋅=
∑
∑
=
ϕ
ϕνωνωνωνω
ϕ
νν
ννν
ννν
ννν
Steuerblindleistung:
Scheinleistung:
Leistungsfaktor (Verschiebefaktor):
S1P1
Q1
ϕ1
Grundschwingung
5
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S1P1
Q1D
S
ϕ1
Blindleistung, Leistungsfaktor
SP
SP
QPS
DSS
IUQQD
IUQtbtatu
tbtati
IUQ
uu
ii
=
=
+=
+=
=−=
⋅⋅=+=+=
⋅=
∑
∑
∞
=
λ
ϕ
ϕνωνωνωνω
ϕ
νν
ννν
ννν
1
11
21
211
221
2
221
2
1111
1111
cos
sin)sin()cos()(
)sin()cos()(
sin
Steuerblindleistung:
Verzerrungsblindleistung:
Scheinleistung:
Leistungsfaktor (Verschiebefaktor):
Gesamter Leistungsfaktor:
Grundschwingung
Oberschwingungen
1
2
2
I
ITHD
∑∞
== υυ
Verzerrungsfaktor:
Total Harmonic Distortion:
6
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Einfaches Modell für Netze und Verbraucher
7
UGen = ΔU + UAn
UAn = UGen - ΔU
Lineare Verbraucher:• R, L, C Verhalten• Wirkleistung P• Blindleistung Q1• Beispiel: Motoren
Nichtlineare Verbraucher:• Schaltnetzteile• Umrichter, Steller• negativer Widerstand
ΔU = INetz (R + jωL)
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B2 Gleichrichter am Netz
8
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 90 180 270 360 450 540 630 720wt
uN-uN(t)ILoaduC(t)iNetz(t)
Beispiel:UNetz = 230 VC = 2 mFILoad = 20 A
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Pulsweitenmodulierter Gleichrichter (mit PFC)
U
V
W
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420
T1 T3 T5
T2 T4 T6
Pulsweitenmodulierte Ausgangsspannungen Netzströme
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ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Aktives Oberschwingungsfilter
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Messaufbau mit B6- Brückengleichrichter
Filterstrom Brückenstrom
Netzstrom
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
ELSYS Power Platforms
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• Modular, flexibel und skalierbar• bis 1000 A / 300 kW• Schaltfrequenzen bis 100 kHz• Integrierte Messtechnik• Schutz- und Diagnosefunktionen
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
ELSYS Control Plattforms
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Infineon 80XC167Xilinx Spartan 3
DSP TMS320F28335
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Aktives Oberschwingungsfilter
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Gelb: Außenleiterspannung u12 (t)Grün: Netzstrom i1 (t)
Zeitlicher Verlauf FFT Oberschwingungsspektrum (Netzstrom)
Exemplarische Messung der 5. harmonischen Oberschwingung mit einer Amplitude von 1,34 A
Netzgrößen bei inaktivem Filter
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Aktives Oberschwingungsfilter
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Zeitlicher Verlauf FFT Oberschwingungsspektrum (Netzstrom)
Gelb: Außenleiterspannung u12 (t)Grün: Netzstrom i1 (t)
Die Amplitude der 5. harmonischen Oberschwingung ist um ca. 80% auf 0.28 A gesunken
Gezielte Kompensation der 5. Oberschwingung
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011
Aktives Oberschwingungsfilter
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Gelb: Außenleiterspannung u12 (t)Grün: Netzstrom i1 (t)
Zeitlicher Verlauf FFT Oberschwingungsspektrum (Netzstrom)
Amplituden der Oberschwingungen deutlich kleiner (auch am sinusförmigeren Verlauf des Netzstromes erkennbar).
Gezielte Kompensation bis zur 11. Oberschwingung
ELSYS Aktives Oberschwingungsfilter Prof. Dr.-Ing. Norbert Grass 10.02.2011 16
Prof. Dr.-Ing. Norbert GrassProf. Dr.-Ing. Armin Dietz
Ohm-University Nuernberg Institute ELSYSKesslerplatz 12D-90489 Nuernberg
Phone.: +49 (911) 5880 [email protected]@ohm-hochschule.dehttp://www.elsys-online.de
Thank you very much for your attention