Externe Primärregelung in anwendungen der Leistungselektronik

Das Unternehmen

GEISER ist eine Forschungsgruppe für Leistungselektronik an der Universität von Alcalá (Universidad de Alcalá), einer staatlichen Universität, die 25 km von Madrid (Spanien) entfernt liegt. GEISER gilt als eines der bedeutendsten Labore für Leistungselektronik in Europa und hat mehr als ein Dutzend Leistungswandlersysteme entwickelt, womit es seine umfassende Fachkompetenz in den Bereichen Energieumwandlung und Regelung unter Beweis gestellt hat.

Velox-PS, ein junges Unternehmen im Bereich der Energie Branche , das auf über 15 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Umrichtern und Steuerungssystemen zurückblicken kann, sponsert dieses Projekt – ein Beleg für das starke Interesse von geschäftliche an einer externen Primärsteuerung für industrielle Anwendungen.

Die Herausforderungen

• Geschwindigkeitsbeschränkungen bei der Regelung: Die Primärregelung muss extrem schnell reagieren (im Sub-Millisekundenbereich), was eine Auslagerung außerhalb des Wandler- hardware s technisch anspruchsvoll macht.
• Elektromagnetische Störungen: Leistungselektroniksysteme erzeugen erhebliche elektromagnetische Störungen, weshalb Kommunikationskanäle erforderlich sind, die unempfindlich gegenüber Störsignalen sind und eine galvanische Trennung gewährleisten.
• Unflexible Steuerungsaktualisierungen: Bei herkömmlichen Ansätzen ist die primäre Steuerung lokal in die Umrichter integriert – jede Änderung des Algorithmus erfordert eine Neuprogrammierung der Leistungselektronik, was die Forschung und Entwicklung verlangsamt.
• Koordination mehrerer Geräte: Die unabhängige Verwaltung mehrerer Wandler führt zu einer Redundanz der Ressourcen; die Zentralisierung der Steuerung auf einer einzigen Plattform erfordert eine deterministische Kommunikation mit geringer Latenz zwischen allen Geräten.

Die OPAL-RT-Lösung

Das Team entwickelte ein externes Primärsteuerungssystem, das die Echtzeit-Rechenleistung von OPAL-RT mit optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation kombiniert:

• Echtzeit-Simulator: Der OP5707XG von OPAL-RT dient als externer Regler, auf dem sowohl Primär- als auch Sekundärregelalgorithmen ausgeführt werden, die direkt aus MATLAB/Simulink-Modellen mittels automatischer Codegenerierung implementiert wurden.
• Hochgeschwindigkeits-SFP-Kommunikation: Eine Übertragung mit bis zu 5 Gbit über 16 optische SFP-Kanäle verbindet den Konverter mit dem Simulator – und gewährleistet dabei elektromagnetische Störfestigkeit, galvanische Trennung und große Übertragungsreichweiten.
• Wandler-Schnittstellenmodule: Ein maßgeschneidertes Steuerungssystem aus drei Modulen übernimmt die ADC-Erfassung (Spannungs-/Strommessungen), die SFP-Datenpaketerstellung und -übertragung sowie die Erzeugung von PWM-Signalen für die IGBT-Schaltung.
• Extrem niedrige Latenz: Der gesamte Regelkreis – von der Sensorerfassung über die externe Berechnung bis hin zur PWM-Ausgabe – arbeitet mit Regelperioden von etwa 100 µs.

Die Ergebnisse

Das Projekt hat die externalisierte Primärregelung erfolgreich als tragfähiges Paradigma für die Leistungselektronik unter Beweis gestellt:

• Bewährtes Konzept: Es wurde nachgewiesen, dass die Primärregelung zuverlässig außerhalb des Umrichters auf einem externen Echtzeit-Simulator ausgeführt werden kann, ohne dass dabei Leistungseinbußen entstehen.
• Schnelle Algorithmus-Prototypenerstellung: Neue Regelalgorithmen lassen sich über MATLAB/Simulink sofort implementieren, ohne dass die physischen Stromversorgungsanlagen neu programmiert werden müssen – was den Iterationszyklus in der Forschung und Entwicklung erheblich beschleunigt.
• Zentralisierte Steuerung mehrerer Geräte: Eine einzige OPAL-RT-Plattform übernimmt die primäre Steuerung mehrerer Umrichter, wodurch die Redundanz bei der „ hardware “ verringert und die Systemarchitektur vereinfacht wird.
• Branchenbestätigung: Das Sponsoring durch Velox-PS bestätigt die Tragfähigkeit von „ geschäftliche “, dessen Anwendungsbereiche von maßgeschneiderten „ Tests “-Labors über Hochleistungsstromversorgungen und Stromqualitätsstationen bis hin zu Traktionslösungen reichen.

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