5 Schritte zum Aufbau von Wechselrichter-Steuerungsmodellen

Wichtigste Erkenntnisse

• Timing, Grenzwerte und Signaldefinitionen entscheiden darüber, ob die Abstimmungsergebnisse auf die Hardware übertragen werden.
• Die PWM-Modellierungstiefe sollte der Schleifenbandbreite entsprechen, wobei Verzögerungen als erstklassige Dynamik behandelt werden.
• Die Trennung von innerem und äußerem Regelkreis sowie Stabilitätsprüfungen für den ungünstigsten Fall verhindern Überraschungen in der Endphase.

Ein gutes Wechselrichter-Steuerungsmodell sagt die Stabilität voraus, bevor die Hardware läuft. Sie können schneller abstimmen, da die Stabilitätsmargen der Steuerung sichtbar bleiben. Sie erkennen Phasenausfälle und Windup frühzeitig. Das ist wichtiger als die Anpassung der Schaltwelligkeit.

Die meisten Probleme entstehen, wenn das Modell zu ideal ist. Eine PWM-Modellierung, die die Aktualisierungsverzögerung ignoriert, wird die Phasenreserve überbewerten. Eine innere Regelschleife, die die Sensorfilterung überspringt, wird die Bandbreite überbewerten. Eine äußere Regelschleife, die von einem festen Netz oder einer festen Last ausgeht, wird bei sich ändernden Bedingungen versagen.

Was Ingenieure von einem Wechselrichter-Steuerungsmodell benötigen, bevor mit der Abstimmung begonnen wird

Legen Sie fest, was der Controller sieht und wann er es sieht, bevor Sie die Verstärkung einstellen. Geben Sie die Abtastzeit, Trägerfrequenz, Verzögerung und Messfilterung in das Modell ein. Definieren Sie jedes Signal mit Einheiten, Skalierung und Vorzeichen. Fügen Sie Grenzwerte und Sättigungen hinzu, die in der Hardware vorhanden sein werden.

Ein Dreiphasen-Wechselrichter, der mit 10 kHz und einem Schritt von 50 µs schaltet, eignet sich gut als Testumgebung. Der Arbeitszyklus wird einmal pro Schritt aktualisiert, modellieren Sie also eine Verzögerung von einem Schritt zwischen Berechnung und PWM-Ausgabe. Fügen Sie denselben 2-kHz-Stromfilter und dieselbe Sensorskalierung hinzu, die Sie für die Auslieferung planen. Führen Sie einen Sweep des Gleichstromzwischenkreises von 700 V bis 900 V durch und variieren Sie die Netzinduktivität von 0,5 mH bis 2 mH.

Timing und Grenzen entscheiden darüber, wo Crossover ohne Klingeln eingesetzt werden kann. Versteckte Verzögerungen verursachen Phasenverschiebungen und verwandeln eine sichere Verstärkung in Oszillation. Fehlende Sättigung verdeckt Integrator-Windup und lässt Transienten sanft erscheinen. Ein schlankes Modell mit sichtbaren Annahmen ist einem detaillierten Modell mit versteckten Annahmen überlegen.

„Versteckte Verzögerung stiehlt Phase und verwandelt einen sicheren Gewinn in eine Schwingung.“

5 Schritte zum Aufbau von Wechselrichter-Steuerungsmodellen

Befolgen Sie die Reihenfolge, in der Sie die Implementierung vornehmen werden. Legen Sie zunächst Ziele und Grenzwerte fest, wählen Sie dann eine PWM-Abstraktion aus und schließen Sie anschließend die inneren und äußeren Schleifen. Überprüfen Sie am Ende die Stabilität über alle Betriebspunkte hinweg. Diese Reihenfolge verhindert, dass wir uns mit Modellierungsfehlern herumschlagen müssen.

1. Kontrollziele und Betriebsgrenzen frühzeitig festlegen

Schreiben Sie Ziele als Zahlen auf, die Sie testen können, nicht als Absichten. Wählen Sie die geregelte Variable, die Einschwingzeit, die Spitzenabweichungsgrenze und den stationären Fehler. Definieren Sie den Betriebsbereich für Gleichspannung, Netz- oder Lastimpedanz und alle Derating-Regeln. Geben Sie Strom-, Spannungs- und Arbeitszyklusgrenzen als Sättigungen und Begrenzungen in das Modell ein. Ein 5-kW-Wechselrichter könnte eine Stromausgleichszeit von 2 ms anstreben, während der Phasenstrom auf 12 A Spitzenwert begrenzt und die Einschaltdauer geklemmt wird, wenn die Gleichspannung unter 720 V fällt. Fügen Sie hinzu, was der Regler bei Erreichen des Grenzwerts tut, z. B. das Einfrieren des Integrators, die Rückberechnung oder die Begrenzung der Referenzrate. Schreiben Sie eine Pass/Fail-Prüfung pro Ziel, damit die Tests konsistent bleiben. Klare Ziele verhindern, dass Sie eine Wellenform optimieren, die zwar sauber aussieht, aber die Grenzwerte der Hardware überschreitet.

2. Wählen Sie eine PWM-Darstellung, die der Regelbandbreite entspricht.

Wählen Sie eine PWM-Darstellung, die die Verzögerung und Verstärkung beibehält, die Ihr Regler sieht. Ein gemittelter Modulator passt zum Schleifendesign, wenn die Überkreuzung deutlich unterhalb der Trägerfrequenz bleibt, aber er benötigt dennoch eine Verzögerung für die Aktualisierung des Tastverhältnisses. Ein Modulator mit abgetasteten Daten ist wichtig, wenn sich die Bandbreite einem Zehntel der Schaltfrequenz nähert, da die Verzögerung durch Abtasten und Halten Phasenverluste verursacht. Ein Schaltmodell dient zur Überprüfung von Welligkeit, Oberschwingungen, Totzeiten und Filterresonanz. Eine 1-kHz-Stromschleife mit einer 10-kHz-Trägerfrequenz lässt sich zuverlässig auf ein gemitteltes Modell abstimmen, das eine Regelschrittverzögerung und die richtige Modulatorverstärkung enthält. Behalten Sie ein zweites Modell auf Schaltpegel in der SPS-SOFTWARE, wenn Sie die Welligkeit überprüfen möchten, ohne den Regler neu zu schreiben. Wählen Sie das einfachste Modell, das die Stabilitätsreserven beibehält, und fügen Sie nur dort Details hinzu, wo die Ergebnisse voneinander abweichen.

3. Erstellen Sie die innere Stromschleife mit klaren Anlagenannahmen.

Die Regelung des inneren Regelkreises beginnt mit einem System, das Sie in einer Zeile erklären können. Modellieren Sie den vorhandenen Filter und behalten Sie dann überall die gleiche Vorzeichenkonvention und den gleichen Bezugsrahmen bei. Platzieren Sie die Erfassungsverzögerung und die Filterung innerhalb des Rückkopplungspfads und nicht als Detail in der Darstellung. Mit einem L-Filter von 2 mH und einem Widerstand von 0,15 Ω liegt das System vor der Diskretisierung nahe bei 1/(Ls + R). Diskretisieren Sie in Schritten von 50 µs und stimmen Sie dann die PI-Verstärkungen für eine Übergangsfrequenz nahe 1 kHz ab, wobei Sie eine Marge für die Verzögerung lassen. Wenn Sie einen LCL-Filter verwenden, halten Sie die Übergangsfrequenz deutlich unterhalb des Resonanzpeaks. Behandeln Sie jeden zusätzlichen Filterpol als Phasenverlust, den Sie einkalkulieren müssen. Fügen Sie frühzeitig eine Anti-Windup-Funktion hinzu, damit eine Stromklemme die Erholung nicht in eine langsame Drift verwandelt.

4. Fügen Sie die äußere Spannungs- oder Stromschleife mit ausreichendem Abstand hinzu.

Die Außenregelung bleibt nur dann stabil, wenn sie langsamer als die Stromregelung ist. Wählen Sie das äußere Ziel im Voraus, da die Gleichspannungsregelung und die Wechselspannungsregelung unterschiedliche Anlagen sehen. Behandeln Sie die äußere Anlage als ungewiss, da die Netzstärke und die Lastart variieren können. Halten Sie die äußere Bandbreite mindestens 5- bis 10-mal niedriger als die Stromregelung, damit die Wechselwirkungen gering bleiben. Ein DC-Link-Regelkreis mit 20 Hz bis 50 Hz, der einen 1-kHz-Stromregelkreis speist, kann Lastschritte sauber verarbeiten. Ein netzbildender Spannungsregelkreis mit etwa 100 Hz liegt immer noch unterhalb des Stromregelkreises, erfordert jedoch eine saubere Spannungserfassung. Fügen Sie Ratenbegrenzungen und einen Windup-Schutz hinzu, damit der äußere Regelkreis nicht weiter drückt, wenn der innere Regelkreis gesättigt ist.

„Wählen Sie das einfachste Modell, das Stabilitätsmargen bewahrt, und fügen Sie Details nur dort hinzu, wo die Ergebnisse voneinander abweichen.“

5. Überprüfen Sie die Regelungsstabilität über alle Betriebspunkte und Verzögerungen hinweg.

Überprüfen Sie die Regelungsstabilität mit dem vollständigen Regelkreis, nicht mit einem idealen Diagramm. Behalten Sie bei der Bewertung der Margen die Abtastung, die PWM-Verzögerung, die Erfassungsfilter und die Sättigungen innerhalb des Regelkreis-Modells bei. Bewerten Sie Worst-Case-Szenarien, einschließlich minimaler Gleichspannung, maximaler Leistung und eines schwachen Netzimpedanzpunkts. Ein Stresstest verdoppelt die Netzinduktivität, sodass sich eine LCL-Resonanz in Richtung Crossover verschiebt. Ein weiterer Test führt die Stromreferenz an die Grenze, sodass Sie Windup und Limit Cycling sehen können. Verwenden Sie Schleifenverstärkungsdiagramme, um Phasenverluste zu erkennen, und bestätigen Sie diese dann mit einem Zeitbereichsschritt, der Klemmen enthält. Streben Sie Margen an, mit denen Sie nach der Diskretisierung leben können, z. B. eine Phasenmarge von 45° und eine Verstärkungsmarge von 6 dB. Halten Sie einen kurzen Regressionssatz ein, damit kleine Änderungen die Margen nicht unbemerkt über alle Fälle hinweg verringern.

Anwendung dieser Schritte zur Vermeidung instabiler oder irreführender Kontrollergebnisse

Instabile Ergebnisse lassen sich in der Regel auf versteckte Zeitvorgaben oder versteckte Grenzwerte zurückführen. Ein Regler, der ohne Verzögerung abgestimmt ist, wirkt stabil und schlägt dann einmal an, sobald eine einstufige Aktualisierung erfolgt. Ein Regler, der ohne Sättigungen abgestimmt ist, wirkt linear und bleibt dann bei Störungen hängen. Präzise Modelle machen diese Fallstricke sichtbar.

Stellen Sie sich eine Schleife vor, die auf eine durchschnittliche Anlage mit einer Übergangsfrequenz von 1 kHz abgestimmt ist. Fügen Sie einen 2-kHz-Sensorfilter und eine Rechenverzögerung von 50 µs hinzu, und die Phasenreserve sinkt. Beheben Sie zuerst die zeitliche Fehlanpassung und passen Sie dann die Verstärkungen mit jeweils denselben Tests an. Führen Sie drei wiederholbare Prüfungen durch: einen Stromsprung, einen Gleichstromabfall und einen Impedanzdurchlauf.

Schreiben Sie Annahmen so auf, dass sie für alle sichtbar sind, und unterziehen Sie sie dann zusammen mit dem Modell einer Versionskontrolle. Diese Vorgehensweise macht die Feinabstimmung für Studenten, Forscher und Produktteams übertragbar. SPS SOFTWARE hilft Ihnen, wenn Sie Komponentengleichungen und Controller-Timing offenlegen müssen, damit Überprüfungen konkret bleiben. Eine konsistente Ausführung sorgt für ruhige Schleifen über alle Betriebspunkte hinweg.