DE3873345T2 - Schaltung zur vermeidung von spannungs- und stromrueckwirkung auf eine elektrische energieverteilungsleitung in einem inverter-kraftwerk. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine zur Verhinderung von Spannungs- und Stromrückführungen in die Verteilungsleitung geeignete Schaltung in einer mit Wechselrichter arbeitenden Kraftanlage, welche die besagte Verteilungsleitung als Reserveeinheit benutzt, an welche die Last angeschaltet wird, wenn Fehler in einem oder mehreren Wechselrichtern vorhanden sind oder wenn eine Überlastbedingung vorhanden ist, die z. B. durch einen Fehler in den Verbrauchereinheiten verursacht wird.
• Bekanntlich sind die Wechselrichter geeignet, an ihrem Eingang eine Gleichspannung zu empfangen und an ihrem Ausgang eine Wechselspannung zur Verfügung zu stellen, die eine Last speist.
• Die Kraftanlagen des besagten Typs umfassen einen oder mehrere parallelgeschaltete Wechselrichter, sowie einen oder mehrere Reserve-Wechselrichter oder die elektrische Verteilungsleitung als Reserveeinheit.
• Die besagten Kraftanlagen werden dann zur Versorgung von Systemen verwendet, die ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erfordern, und deswegen ist es notwendig, arbeitende Geräte und Reservegeräte sowie Überwachungseinrichtungen vorzusehen.
• Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden, wenn die elektrische Verteilungsleitung als Reserveeinheit benutzt wird.
• Im einzelnen sorgen die Überwachungseinrichtungen, wenn sie das Vorhandensein von Fehlern in den arbeitenden Geräten erfassen, für das Auskuppeln einer ersten Gruppe statischer Schalter, die durch Einnehmen des Zustandes "offene Schalter" die Trennung der Verbindung zwischen der Last und den arbeitenden Geräten herbeiführen. Die besagten statischen Schalter können zentral angeordnet sein (an der Vielfacheinheit, welche die Parallelschaltung der Wechselrichter mit den Verbrauchereinheiten verbindet) oder entfernt liegen (z. B. in Kaskade zu jedem Wechselrichter). Gleichzeitig geben die Überwachungseinrichtungen eine zweite Gruppe statischer Schalter frei, die durch Einnehmen des Zustandes "geschlossene Schalter" die Last mit der Verteilungsleitung verbinden, welche die Reserveeinheit darstellt, wie oben angeführt. Während des Normalbetriebs (Last wird durch die Wechselrichter gespeist) ist es bei einem Fehler im System möglich, daß die zweite Gruppe statischer Schalter unerwünscht die Konfiguration "geschlossene Schalter" annimmt und in dieser Weise die Verteilungsleitung mit den Wechselrichtern verbindet. Dieser Fehler verursacht Probleme sowohl hinsichtlich der Unfallvermeidung als auch der Handhabung.
• Die Probleme hinsichtlich der Unfallvermeidung entstehen, wenn die oben erwähnten Fehler auftreten und Spannungs- und Stromrückführungen in die elektrische Verteilungsleitung bedingen.
• Wenn diese Fehler während einer Wartungsarbeit auftreten (z. B. nach dem Abtrennen eines Netzabschnittes, der dadurch von den Leistungsgeneratoren isoliert ist, die flußaufwärts vom interessierenden Netzabschnitt gelegen sind), können Probleme hinsichtlich der Unfallvermeidung auftreten, weil das Personal in der Überzeugung arbeitet, daß das Stromversorgungsnetz nicht mit irgendeiner Leistungsquelle verbunden ist.
• Die Handhabungsprobleme ergeben sich beim Auftreten ähnlicher Bedingungen wie oben (Speisung der Last durch Wechselrichter und Fehler in der zweiten Gruppe statischer Schalter) und werden verursacht durch eine Leistungsübertragung in die Verteilungsleitung beim Fehlen irgendwelcher vertraglicher Regelungen zur Kontrolle dieser Übertragung.
• Die Einheiten, welche die elektrische Energieverteilung besorgen, erlauben gewöhnlich nicht die direkte Parallelschaltung des Netzes und einer Gruppe von Wechselrichtern, ausgenommen wenn eine spezielle vertragliche Regelung vorliegt und passende technische Maßnahmen zur Durchführung dieses Betriebs getroffen wird.
• In den bekannten Kraftanlagen werden bei Fehlern in den statischen Schaltern und/oder in den Überwachungseinrichtungen die Spannungs- und Stromrückführungen in die elektrische Verteilungsleitung durch ein Stromrücklaufgerät verhindert, das in Serie mit der elektrischen Verteilungsleitung geschaltet ist. Bekanntlich sind diese Geräte geeignet, eine Trennung an der Leitung durchzuführen, wenn sie eine Energieübertragung fühlen, die in die Richtung entgegengesetzt zur normalen Arbeitsrichtung geht. Ein Stromrücklaufgerät mit dem Namen "reverse power flow blocking and sensing" ist in den Figuren der US-A-4.104.539 gezeigt und kurz in Spalte 6, Zeilen 60 bis 66 der betreffenden Beschreibung offenbart. Solche Geräte sind zu teuer und haben eine zu lange Betätigungszeit. Sie eignen sich daher zur Lösung der oben genannten Handhabungsprobleme, nicht jedoch zur Lösung der Probleme, die mit der Unfallvermeidung zusammenhängen, weil das Personal üblicherweise interveniert, wenn die Trennung bereits durchgeführt ist: es fließt daher kein Strom, und das Stromrücklaufgerät kann nicht arbeiten. In Wirklichkeit kann, weil die Betätigungszeit solcher Geräte zu lang ist, die Trennung der Verbindung nicht durchgeführt werden (falls die Stromintensität des menschlichen Körpers unterhalb des Betriebsstroms liegt), oder sie kann erst erreicht werden, wenn der Unfall bereits stattgefunden hat.
• Die bekannten Geräte eignen sich daher nicht zur Lösung der Probleme, die mit Unfallvermeidung zu tun haben und durch Spannungsrückführungen in die elektrische Verteilungsleitung verursacht werden.
• Zweck der vorliegenden Erfindung ist eine besonders einfache, zuverlässige und billige Schaltung, die sich zur Lösung der Probleme eignet, welche sowohl mit der Unfallvermeidung als auch mit der Handhabung zusammenhängen, wie oben erwähnt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Schaltung zur Verhinderung von Spannungs- und Stromrückführungen in die elektrische Verteilungsleitung, besonders für die Anwendung in Wechselrichteranlage geeignet, folgendes umfassend:
• - einen oder mehrere Wechselrichter in Parallelschaltung, zur Versorgung einer Last dadurch einen ersten Satz von statischen Schaltern;
• - erste Trennmittel, geeignet zum Anschließen der Last mit der elektrischen Verteilungsleitung durch eine zweite Gruppe von statischen Schaltern;
• - Überwachungsmittel, geeignet zum Aktivieren der ersten Gruppe statischer Schalter, bzw. der zweiten Gruppe statischer Schalter, abhängig vom Zustand der Wechselrichter, vom Zustand der einzuspeisenden Last und vom Zustand der genannten elektrischen Verteilungsleitung.
• Die Schaltung umfaßt folgendes:
• - eine elektrische Sonde am Ausgang, wo Spannung oder Strom verfügbar ist, wenn eine Stromrückführung zu der elektrischen Verteilungsleitung festgestellt wird;
• - eine Ballastimpedanz, welche einen Rückstrom durch die elektrische Sonde verursacht, wenn die zweite Gruppe statischer Schalter den Zustand "geschlossener Kreis" wegen einer Störung aufweist;
• - und einen Erregerkreis der ersten Trennmittel, der von dem Spannungs- oder Stromsignal am Ausgang der Sonde erregt wird, von den Kontakten der zweiten Trennmittel gesteuert wird, von den Überwachungsteuermitteln in Betrieb gesetzt wird.
• Wenn die Last durch die besagte Gruppe von Wechselrichtern gespeist wird und ein Fehler in der zweiten Gruppe statischer Schalter auftritt, selbst wenn der mit der Kraftanlage verbundene Verteilungsleitungsabschnitt abgetrennt und daher ohne jegliche Last ist, fließt der gleiche Strom, der durch die besagte Ballastimpedanz (vorzugsweise vom kapazitiven oder induktiven Typ) fließt, durch den elektrischen Zweig flußabwärts der ersten Trennmittel. Dieser Strom wird durch die elektrische Sonde gefühlt, an deren Enden eine Spannung oder ein Strom verfügbar ist, und der Strom fließt daher durch den Erregerkreis der ersten Trennmittel.
• Letzteres koppelt die Kraftanlage von der Verteilungsleitung ab, und auf diese Weise werden die oben erwähnten Probleme hinsichtlich der Unfallvermeidung und der Handhabung verhindert.
• Weitere Merkmale der Schaltung können der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden, die sich auf ein nichteinschränkendes Beispiel bezieht, das in den folgenden Zeichnungen dargestellt ist, wobei
• - Fig. 1 eine Einphasen-Kraftanlage zeigt, die eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung enthält;
• - Fig. 2 die gleiche Kraftanlage wie unter 1 zeigt, enthaltend eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung;
• - Fig. 3 eine Dreiphasen-Kraftanlage zeigt, welche die erste Ausführungsform der Schaltung enthält.
• Die Kraftanlage nach Fig. 1 ist so ausgebildet, daß sie folgendes enthält:
• - eine Vielzahl parallelgeschalteter wechselrichter IN&sub1;, IN&sub2;, . . . , INn;
• - eine erste Gruppe statischer Schalter, bestehend aus zwei gesteuerten Dioden DC&sub1; und DC&sub2;, die gemeinsam durch eine Überwachungseinrichtung freigegeben werden und gegensinnig gepolt sind, so daß ein Wechselstrom durch sie fließen kann;
• - eine zweite Gruppe statischer Schalter, bestehend aus zwei gesteuerten Dioden DC&sub3; und DC&sub4;, die gemeinsam durch die Überwachungseinrichtung freigegeben werden, so daß ein Wechselstrom fließen kann;
• - eine erste Trenneinrichtung S&sub1;, die geeignet ist, die elektrische Verteilungsleitung RD - an Adern R und N - mit der zweiten Gruppe statischer Schalter (DC&sub3; und DC&sub4;) zu verbinden;
• - eine Überwachungseinrichtung SM, die sich eignet zur Verifizierung vorbestimmter Parameter (z. B. Amplitude, Phase, usw.) der am Ausgang sowohl der Wechselrichter N als auch der Leitung RD verfügbaren Spannung, und die außerdem geeignet ist, für die Versorgung der Last Z über die Inverter IN, d. h. über die Verteilungsleitung RD zu sorgen und ferner das Schließen und öffnen der zweiten Trenneinrichtung S&sub2; zu steuern.
• Die Schaltung umfaßt folgendes:
• - eine elektrische Sonde (SE) am Ausgang, wo Spannung oder Strom verfügbar ist, wenn eine Stromrückführung in die elektrische Verteilungsleitung (RD) festgestellt wird;
• - eine Ballastimpedanz (I), welche einen Rückstrom durch die elektrische Sonde (SE) verursacht, wenn die zweite Gruppe statischer Schalter (DC&sub3;, DC&sub4;) den Zustand "geschlossener Kreis" wegen einer Störung hat;
• - und einen Erregerkreis (E) der ersten Trenneinrichtung (S&sub1;), der von dem Spannungs- oder Stromsignal am Ausgang der Sonde (SE) erregt wird, von den Kontakten einer zweiten Trenneinrichtung (S&sub2;) gesteuert wird, von der Überwachungssteuereinrichtung (SM) in Betrieb gesetzt wird.
• Wenn die Last über die Wechselrichter IN gespeist wird, soll die Überwachungseinrichtung SN
• - die Dioden DC&sub1; und DC&sub2; durchschalten;
• - die Dioden DC&sub3; und DC&sub4; sperren;
• - das Schließen der Kontakte der zweiten Trenneinrichtung S&sub2; bewirken.
• Wenn keine Fehler in den Dioden DC&sub3; und DC&sub4; gefunden werden, nehmen sie den Zustand "offener Stromkreis" ein und verhindern, daß Spannung oder Strom in die elektrische Verteilungsleitung RD zurückgeführt wird. Unter diesen Bedingungen fließt kein Strom durch die Sonde SE, und die Kontakte der Trenneinrichtung S&sub1; sind daher geschlossen.
• Wenn ein Fehler in den Dioden DC&sub3; und DC&sub4; (oder in ihren Steuerschaltungen) auftritt, nehmen sie den Zustand "geschlossener Stromkreis" an und verursachen, wenn die erfindungsgemäße Schaltung fehlt, Spannungs- und Stromrückführungen in die Verteilungsleitung RD, sowie Probleme, die mit der Unfallvermeidung zusammenhängen.
• In diesem Fall wird an den Enden der elektrischen Sonde SE eine Wechselspannung verfügbar, die bewirkt, daß der Strom durch den Erregerkreis E der Trenneinrichtung S&sub1; fließt; ein öffnen der relativen Kontakte wird daher registriert, indem auf diese Weise jegliche Strom- oder Spannungsrückführung verhindert wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ballastimpedanz I reaktiv (vorzugsweise kapazitiv oder induktiv), um keine aktive Leistung zu verbrauchen.
• Es ist auch möglich, eine ohmsche Impedanz oder eine Kombination der oben erwähnten Impedanzen zu verwenden.
• Es ist nützlich, darauf hinzuweisen, daß, wenn ein Trenntransformator oder eine andere konzentrierte oder verteilte Impedanz zwischen der Verteilungsleitung und der Last vorgesehen wird, eine zusätzliche konzentrierte Ballastimpedanz I weggelassen werden kann, falls der von der anderen Impedanz absorbierte Strom oder der Magnetisierungsstrom des Trenntransformators genügen, die Erregung der Einrichtung S&sub1; zu bewirken und die relativen Kontakte zu öffnen.
• In Wirklichkeit wird in den oben genannten Schaltungen die Ballastimpedanz I durch die besagte andere Impedanz gebildet oder durch die verteilte Impedanz des Trenntransformators.
• Die erfindungsgemäße Schaltung ist geeignet, das öffnen der Kontakte der Einrichtung S&sub1; selbst dann zu bewirken, wenn der mit der Kraftanlage verbundene Netzabschnitt abgetrennt worden ist, um die Wartungsarbeit zu erlauben. In der Tat wird, wenn ein Fehler in den Dioden DC&sub3; und DC&sub4; gefunden wird, ein Blindstrom registiert, der durch die Ballastimpedanz I verursacht wird, die, falls vom reaktiven Typ, keine aktive Energie verbraucht und das öffnen der Einrichtung S&sub1; unabhängig vom Zustand der Messerschalter bewirkt, die flußaufwärts des gerade gewarteten Netzabschnittes liegen.
• Es ist ferner möglich, einen Erregerkreis der ersten Trenneinrichtung zu verwenden, der durch einen Strom gesteuert wird, anstatt durch eine Spannung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. In diesem Fall ist der in der elektrischen Sonde SE vorgesehene Widerstand R&sub1; nicht erforderlich.
• Notwendigerweise sei darauf hingewiesen, daß das elektrische Netz Konfigurationen annehmen kann, die anders sind als oben beschrieben (z. B. Parallelschaltung der zweiten Trenneinrichtung zum Erregerkreis der ersten Trenneinrichtung), Jedoch auf dem gleichen Prinzip beruhen, nach welchem die zweite Trenneinrichtung S&sub2; die Aktivierung der ersten Trenneinrichtung S&sub1; über die Öffnung des Netzes beeinflußt, d. h. durch Bewirken eines Kurzschlusses irgendeines der Netzelemente.
• Ferner sei erwähnt, daß, wie in der Fig. 1 gestrichelt dargestellt, die elektrische Sonde SE indirekt einen Stromfluß durch die elektrische Verteilungsleitung RD fühlen kann. Speziell ist es möglich, mit der Verteilungsleitung RD die Primärwicklung eines Abwärtstransformators TR zu verbinden, an dessen Sekundärwicklung der oben erwähnte Transformator TA angeschlossen ist.
• Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, worin die elektrische Sonde SE den oben erwähnten Transformator TA ersetzt und ein Differentialtransformator TD vorgesehen ist, der folgendes aufweist:
• - eine erste Wicklung, durch die der von den Wechselrichtern erzeugte Strom fließt,
• - eine zweite Wicklung, durch die der Strom für die Last fließt,
• - eine dritte Wicklung, durch die der Strom fließt, wenn (beim Vorhandensein eines Fehlers in der Diode DC&sub3; und/oder DC&sub4;) der Wert des von den Wechselrichtern gesendeten Stroms vom Wert des zur Last gelangenden Stroms abweicht.
• Wenn während des Normalbetriebs (Speisung der Last durch die Wechselrichter) kein Fehler in den Dioden DC&sub3; und DC&sub4; auf der dritten Wicklung von TD vorhanden ist, fließt kein Strom, weil die magnetischen Flüsse, die durch die in der ersten und in der zweiten Wicklung fließenden Ströme verursacht werden, gleichzeitig einander gleich und entgegengerichtet sind und sich daher gegenseitig aufheben.
• Wenn ein Fehler in den besagten Dioden DC&sub3; und DC&sub4; registriert wird, gelangt ein Teil des von den Wechselrichtern erzeugten Stroms zur elektrischen Verteilungsleitung RD und auch zur Ballastimpedanz I, und der Wert des durch die erste Wicklung fließenden Stroms unterscheidet sich daher vom Wert des durch die zweite Wicklung fließenden Stroms. Die von diesen Strömen verursachten magnetischen Flüsse löschen sich daher nicht vollständig gegenseitig aus, und auf der dritten Wicklung wird ein Strom induziert, der die Aktivierung der Trenneinrichtung S&sub1; bewirkt, wobei die Abläufe ähnlich denjenigen sind, wie sie für die erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurden.
• Die Fig. 3 zeigt eine Dreiphasen-Kraftanlage, welche die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung enthält.
• Zusätzlich zum Nulleiter N und zur Phase R, wie sie bei Einphasen-Kraftanlagen vorliegen, sind die Adern S und T vorhanden. Die erste Trenneinrichtung S&sub1;, die erste Gruppe statischer Schalter DC&sub1; und DC&sub2;, die zweite Gruppe statischer Schalter DC&sub3; und DC&sub4;, die Primärwicklung des Transformators TS und die Ballastimpedanz I sind durch drei Funktionseinheiten gebildet, anstatt durch eine, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
• Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Verbindung mit der Dreiphasen- Kraftanlage nicht dargestellt, das zugehörige Schaltbild kann aber leicht gezeichnet werden, indem man die aus Fig. 2 entnommenen Prinzipien beim Schaltbild der Fig. 3 anwendet.
• Auf der Grundlage der obigen Ausführungen und entsprechend den erwähnten Figuren erfüllt die Schaltung die genannten Anforderungen in der Erfindung und ist einfach, zuverlässig, billig und kann sowohl bei Einphasen- als auch bei Dreiphasen-Kraftanlagen angewendet werden.

Claims (8)

1. Schaltung zur Verhinderung von Spannungs- und Stromrückführungen in die elektrische Verteilungsleitung (RD), besonders für die Anwendung in Wechselrichteranlage geeignet, folgendes umfassend:

- einen oder mehrere Wechselrichter (IN&sub1;, . . . INn) in Parallelschaltung, zur Versorgung einer Last durch einen ersten Satz von statischen Schaltern (DC&sub1;, DC&sub2;); - erste Trennmittel (S&sub1;), geeignet zum Anschließen der Last (Z) mit der elektrischen Verteilungsleitung (RD) durch einen zweiten Satz von statischen Schaltern (DC&sub3;, DC&sub4;);

- Überwachungseinheiten (SN), geeignet zum Anregen des ersten Satzes statischer Schalter (DC&sub1;, DC&sub2;), bzw. des zweiten Satzes statischer Schalter (DC&sub3;, DC&sub4;), unter Berücksichtigung des Zustandes der Wechselrichter, des Zustandes der einzuspeisenden Last (Z) und des Zustandes der genannten elektrischen Verteilungsleitung (RD);

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung folgendes umfaßt:

- eine elektrische Sonde (SE) am Ausgang, wo Spannung oder Strom verfügbar ist, wenn die Stromrückführung zu der elektrischen Verteilungsleitung (RD) festgestellt wird;

- eine Ballastimpedanz (I), welche einen Rückstrom durch die elektrische Sonde (SE) verursacht, wenn der zweite Satz statischer Schalter (DC&sub3;, DC&sub4;) den Zustand "geschlossener Kreis" wegen einer Störung enthält; - und einen Erregerkreis (E) des ersten Trennmittels (S&sub1;), der von dem Spannungs- oder Stromsignal am Ausgang der Sonde (SE) erregt wird, von den Kontakten zweiter Trennmittel (S&sub2;) gesteuert wird, von den Überwachungseinheiten (SM) in Betrieb gesetzt wird.

2. Schaltung wie im Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte elektrische Sonde (SE) zur Steuerung des genannten Erregerkreises (E) durch Strom geeignet ist und aus einem Transformator (TA) besteht, dessen Primärwicklung mit der elektrischen Verteilungsleitung (RD) seriengeschaltet ist.

3. Schaltung wie im Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte elektrische Sonde (SE) zur Steuerung des genannten Erregerkreises (E) durch Spannung geeignet ist und aus einem Transformator (TA) besteht, dessen Sekundärwicklung mit den Enden eines Widerstandes (R&sub1;) verbunden ist.

4. Schaltung wie in den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Transformator (TA) mit der elektrischen Verteilungsleitung (RD) über einen zusätzlichen Transformator (TR) verbunden ist.

5. Schaltung wie im Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte elektrische Sonde (SE) aus einem Transformator (TD) besteht, mit:

- einer ersten Wicklung, die durch den von den genannten Wechselrichtern (IN) erzeugten Strom versorgt wird;

- einer zweiten Wicklung, die vom Strom versorgt wird, der die Last versorgt (Z);

- einer dritten Wicklung, die von einem Strom versorgt wird, dessen Wert gleich der Differenz zwischen den Strömen ist, die durch die erste und durch die zweite Wicklung fließen.

6. Schaltung wie im Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R&sub1;) mit den Enden der dritten Wicklung verbunden ist.

7. Schaltung wie im Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Ballast-Impedanz (I) reaktiven Types ist.

8. Schaltung wie im Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Ballast-Impedanz (I) aus der Impedanz der Sekundärwicklung in einem Trenntransformator besteht.