CN102204056B - 用于向耗电器网馈送供电网的电功率的设备 - Google Patents

Abstract

为了提供一种用于向耗电器网(13)馈送供电网(12)的电功率的设备(1)，其中该设备(1)具有频率转换器(2)，该频率转换器一方面能与供电网(12)连接而另一方面能与耗电器网(13)连接，利用该频率转换器还能在足够长的持续时间期间为耗电器网提供高的短路电流，从而能够定位耗电器网中的短路并且有针对性地将该短路与剩余的无缺陷耗电器网分开，提出一种机械开关单元(13)以及与该开关单元(3)连接的控制器件(9)，该机械开关单元与频率转换器(2)并联地设置并且被设计用于桥接该频率转换器(2)，以及该控制器件被设计用于在证明存在流经频率转换器(2)的短路电流时操作该开关单元(3)。

Description

用于向耗电器网馈送供电网的电功率的设备

技术领域

本发明涉及一种用于向耗电器网馈送供电网的电功率的设备，其中该设备具有频率转换器，该频率转换器一方面可以与供电网连接而另一方面可以与耗电器网连接。

本发明还涉及一种用于向耗电器网馈送供电网的电功率的方法。

背景技术

这样的设备和这样的方法已经由DE 10 2005 004 628 A1公开。该文献中描述的设备被用于向港口中停泊的轮船提供能量。在港口中停泊的轮船一般由运行的柴油发动机提供能量。但是柴油发动机的废气会在港口城市中产生显著的环境污染。借助这种类型的设备可以从陆地提供能量。由于陆地供电网和船舶配电网之间一般存在不同的电压、电网频率、星形汇接点处理等等，因此设置能与不同的电网耦合的静态频率转换器。静态转换器具有功率半导体，利用这些功率半导体使得可以对电流和电压进行转换。该已知设备存在以下缺点，即高短路电流不能在足够长的持续时间期间被馈入到船舶配电网中。否则频率转换器的功率半导体阀可能被损伤或甚至被破坏。但是，短路电流的足够长的馈入对于定位船舶一侧的短路是必要的，以便在船舶配电网中能够将有缺陷的子网与剩余的船舶配电网分开。

发明内容

因此本发明的任务是提供一种开头所述类型的设备以及一种方法，利用它们还能够在足够长的持续时间期间为耗电器网提供高的短路电流，以便可以对耗电器网中的短路定位并且有针对性地将该短路与剩余的无缺陷耗电器网分开。

本发明通过机械的开关单元以及与该开关单元连接的控制器件来解决该任务，该开关单元与频率转换器并联地设置并且被设计用于桥接该频率转换器，以及该控制器件被设计用于在证明存在流经频率转换器的短路电流时操作所述开关单元。

此外，本发明通过一种用于向耗电器网馈送供电网的电功率的方法解决该任务，其中该供电网通过频率转换器以及被设计为桥接该频率转换器的机械开关单元与耗电器网连接，其中依据短路标准来监视该耗电器网，在出现短路标准时将耗电器网的频率转换为供电网的频率，其中该频率转换器还继续将在没有短路的正常运行时通常的额定电流馈送到耗电器网中，并接着闭合该机械开关单元以桥接所述频率转换器。

根据本发明，在与频率转换器的并联电路中提供机械开关单元，利用该机械开关单元可以在短路情况下桥接所述频率转换器。“机械开关单元”的概念包括所有具有可相互分离的触点的开关。这些触点在电绝缘的环境中在分离位置时以相互间具有间隔地设置，从而避免电流流过这些触点。为了识别或者为了证明耗电器网中的短路而设置控制器件，该控制器件被设计为除了借助预定的短路标准来识别短路之外还用于触发该机械开关单元。在操作了该开关单元之后，短路电流基本上流经具有对该短路电流足够的电流承受能力的开关单元。在本发明的范围中该机械开关单元例如是功率开关、负载断路开关等等。根据本发明，排除了也称为电子开关的半导体开关。

在本发明的范围中，频率转换器优选是静态频率转换器。静态转换器不具有移动的部件或组件而是具有功率半导体阀。在本发明的范围中，频率转换器的拓扑结构原则上是任意的。例如，静态频率转换器具有整流器以及逆变器，该整流器和逆变器在直流电压侧相互连接。在能量传输和能量配送领域中的整流器和逆变器是本领域技术人员公知的，从而在此不需要详细描述它们的结构。一般采用由所谓的功率半导体阀组成的桥电路，其中，功率半导体阀与调节器连接并且由该调节器有针对性地从截止位置转换到导通位置，在该截止位置上中断通过该功率半导体阀的电流，而在导通位置上使得可以有电流流过该功率半导体阀。通过所述控制单元或更好的调节对功率半导体阀的合适控制使得可以进行期望的转换。在本发明的范围中，作为两个也可以共同称为转换器的整流器和逆变器例如考虑两级或三级转换器，但是也可以考虑所谓的多级转换器。

频率转换器合适地是为高压以及尤其是为介于1kV和52kV之间的电压设计的。但是在本发明的范围中还可以采用为高于52kV或低于1kV的电压设计的频率转换器。

合适的是，控制器件与频率转换器连接并且被设计用于影响频率转换器的频率转换。根据该合适的扩展，例如在耗电器网中出现短路之后还负责由频率转换器继续只用通常的额定电流来向耗电器网供电，该额定电流是在短路之前就已经馈入的，因此该额定电流的幅度基本上不变。通过这种方式避免了对功率半导体和频率转换器的损伤。但是由此不能对短路定位。因此导致对开关单元的操作。但是，该操作在频率转换器对耗电器网供电使得通过接通所述机械开关单元避免了不期望的反馈耦合时才进行。因此，控制器件是频率转换器的调节器的一部分或者与该调节器连接。例如，如果供电网具有50Hz的频率，而耗电器网在正常运行时具有60Hz的频率，则控制器件防止了耗电器网直接与50Hz供电网连接而同时频率转换器产生60Hz输出电压U_aus。这可能会导致不期望的缺点。

根据本发明设备的优选构成，设置被设计用于检测频率转换器的供电网一侧的电输入测量参数的输入测量传感器，以及被设计用于检测频率转换器的耗电器网一侧的电输出测量参数的输出测量传感器，其中，控制器件与这些输入测量传感器和输出测量传感器连接并且设计为将频率转换器的输出频率调节到该频率转换器的输入频率，并且一直延迟对开关单元的操作，直到所选择的输出测量参数和相应的输入测量参数具有相同的频率和相位为止。根据本发明的该有利构成，考虑输入端的供电网中的电压和输出端的耗电器网中的电压可能具有不同的频率和相位。为了在桥接频率转换器时避免不受控制的补偿电流，在控制器件一侧一直延迟对开关单元的操作，直到在频率转换器的两侧都存在相同相位和相同频率的测量参数为止。所述输入测量参数和输出测量参数合适地是输入电压和输出电压，也就是分别在耗电器网中存在的电压和在供电网中存在的电压。只有在供电网中以及在耗电器网中电压具有相同相位和相同频率时，才导致所述操作以及因此导致控制器件对频率转换器的桥接。

合适的是，设置输入端器件以用于将所述设备与供电网连接，而且可能的话还设置输出端器件以用于将所述设备与耗电器网连接。作为输入端器件或输出端器件，例如考虑常见的变压器。

短路标准例如是一种简单的阈值标准，换句话说根据幅度来监视耗电器网一侧或输入电网一侧的电流。如果流过频率转换器的电流的幅度在预定的持续时间期间超过预定阈值，则推断存在短路电流。短路电流就其幅度来说是通常存在的额定电流的幅度的多倍。短路标准例如当所测得的测量电流超过可调节的阈值时得到满足，该可调节的阈值按照合适的方式高于所述额定电流。在根据本发明的其它示例性短路标准中，除了纯负载电流之外，也就是除了由频率转换器馈入耗电器网中的电流之外还附加地监视输出电压。由所测得的电压和所测得的电流构成的商是阻抗。根据该示例性的本发明的短路标准，为该阻抗定义阻抗阈值，低于该阻抗阈值就被评价为短路事件或短路标准。

根据本发明方法的一种合适构成，检测频率转换器的供电网一侧的至少一个电输入参数，并且检测频率转换器的耗电器网一侧的至少一个电输出参数，并且将每个输入参数的相位和/或频率与相应输出参数的相位进行比较。根据所给出的短路标准，如上面所描述的那样在确定输入参数与输出参数之间存在相同相位和/或相同频率时才闭合开关单元。

合适的是，在桥接所述频率转换器之后等待传输持续时间的消逝和/或短路标准的取消，然后才操作开关单元以取消对频率转换器的桥接，此后将耗电器网的频率转换为短路之前的频率。通过这种方式可以例如在定位以及断开短路之后简单地重新建立所述设备的常见运行方式。在取消对频率转换器的桥接之后，在耗电器网中借助对频率转换器的调节逐渐地又启动在短路之前占主导的运行点，其中例如应用斜坡函数。其例如可以是在耗电器网中60Hz频率的逐渐建立，该耗电器网的频率在频率转换器被桥接之后曾短暂地等于供电网例如50Hz的频率。根据本发明，例如借助阶跃函数或斜坡函数来转换在识别出短路之后频率转换器的输出频率。

合适的是，监视器件检查在耗电器网中是否产生能量，其中该监视器件在证明了耗电器网中有能量产生的情况下阻止对开关单元的操作。通过这种方式来检查耗电器网是否是孤岛网。在本发明的含义中，孤岛网的特征在于，该孤岛网不具有自己的能量发生器。如果耗电器网是孤岛网，则整个短路功率由频率转换器筹集。但是，如果耗电器网具有能量发生器，例如在耗电器网的船舶发电机还未关闭时，可以由该发电机提供短路电流，而该短路电流不会给频率转换器带来负担。在这种情况下，不需要桥接频率转换器。因此根据本发明的该有利构成，确定耗电器网是否是孤岛网，并且如果不是则阻止控制器件对频率转换器的桥接。

本发明除了三相应用之外还清楚地延伸到具有任意相位数的装置。

有利的是，所述机械开关单元具有可以相对移动的触点。这样的机械开关在高压、中压和低压领域众所周知，从而在本发明的范围中不需要再描述它们的精确安装和结构。这样的机械开关优选在电能传输和电能配送的领域中使用。这些触点例如具有位置固定设置的固定触点以及可以关于该固定触点移动的移动触点。该移动触点在本发明的范围中例如构成为可旋转的。但是与此不同，还可以采用纵向移动的移动触点，这些纵向移动的移动触点在开关时执行提升移动。这样的提升开关例如设置在真空开关管的真空室中，从而实现了所谓的真空开关。与此不同，机械开关单元是一种气体开关，其中实现了用于消除电弧的消弧技术。

有利的是，所述机械开关单元具有用于产生传动移动的传动单元和用于将传动移动引入触点的开关机构。该传动单元例如是储能弹簧传动装置或磁性传动装置。

合适的是，在操作了所述机械开关单元之后频率转换器也将在没有短路的正常运行时通常的额定电流馈入到耗电器网中。

根据本发明方法的优选构成，在对频率转换器桥接之后等待短路标准的取消。在取消短路标准的情况下，操作机械开关单元以取消对频率转换器的桥接并且将耗电器网的频率又转换到在没有短路的正常运行时通常的频率。这例如跳跃式地进行或者优选借助斜坡函数进行。

有利的是，监视器件检查在耗电器网中是否产生能量，其中该监视器件在证明了耗电器网中有能量产生的情况下阻止对开关单元的操作。由此短路电流由耗电器网的发电机提供。

附图说明

本发明的其它合适构成和优点是下面参照附图对本发明实施例的描述的主题，其中

图1示意性说明了本发明设备的实施例。

具体实施方式

图1在示意图中示出了本发明的设备1的实施例。

设备1包括频率转换器2和机械开关单元3，该机械开关单元3被设计用于桥接频率转换器2并且设置在与频率转换器2并联的三相并联支路4中。在图1中为了清楚起见仅示出一相。但是，在所示相上的三条短横线应当表明所示出的本发明设备的实施例是三相设备。但原则上本发明设备的相位数量是任意的。

机械开关单元3在所示实施例中是三极负载断路开关。该负载断路开关的每一极都具有包含两个在正面上相对的触点的真空开关管。这些触点之一可以在纵向上移动，从而这些触点通过传动移动的引入而可以从分离位置被转换到接触位置，在分离位置上这些触点在真空室中相互分离，而在接触位置上这些触点并排在一起。该传动移动由图中未示出的磁性传动装置产生并且通过图中同样未示出的开关机构被引入到这些触点中。所述磁性传动装置通过信号导线与控制单元9连接。

频率转换器2具有作为整流器6运行的转换器以及作为逆变器7运行的转换器，其中整流器6和逆变器7通过直流电压连接8相互连接。为了调节以及为了保护转换器6，7，而且为了触发机械开关单元3，使用包括开头所描述的控制器件的控制单元9。

本发明的设备通过作为输入端器件的输入变压器10以及通过作为输出端器件的输出变压器11与引导50Hz交流电压的供电网12连接以及与引导60Hz交流电压的耗电器网13连接。耗电器网13在图1所示情况下是停泊在港口的较大船舶的配电网。在此，船舶配电网13通过频率转换器2与陆地的供电网12连接。因此，为了将供电网12的50Hz电压转换为船舶配电网13的60Hz电压，该频率转换器是必需的。

为了调节频率转换和功率传输以及机械开关单元3的操作，控制单元9与供电网一侧的输入电流传感器14连接以及与设置在船舶配电网13中的输出电流测量传感器15连接。此外，控制单元9与供电网一侧的输入电压测量传感器16连接以及与设置在船舶配电网13中的输出电压测量传感器17连接。如果船舶的所有发电机都关闭，则船舶配电网就是孤岛网。在这种情况下供电电流需要完全由频率转换器2提供。为了阻止在短路情况下为了识别错误而快速关闭频率转换器，控制单元9借助输出电流测量传感器15监视耗电器网13中的电压U_aus的幅度。如果例如在所测得的电压低于事先确定的并且在控制单元9中实施的电压阈值或者被证明在耗电器网13中存在不允许的阻抗过低时由控制单元确定存在短路标准，则控制单元负责由频率转换器13还只将额定电流馈入到耗电器网13中。由于没有短路电流流过，因此不能对短路定位。借助阶跃函数或借助斜坡函数，控制单元还负责将频率转换器2的输出电压U_aus与频率转换器2的输入电压U_ein匹配。换句话说，船舶的耗电器网13的60Hz频率被转换为50Hz频率。如果输出电压U_aus和输入电压U_ein之间达到相同的频率，则在这些测量参数U_ein，U_aus的相位相同时负载断路开关3或换句话说机械开关单元闭合。现在超过额定电流的高短路电流可以流经并联支路4。但是在触发机械开关单元3之前，控制单元9将借助输入电压网传感器16检测的电压U_ein的供电网一侧的相位与借助输出电压测量传感器17检测的耗电器网一侧的电压U_aus进行比较。

在短路持续时间(在该短路持续时间中船舶耗电器网13的未在图1中示出的保护设备借助短路电流定位并断开该短路)消逝之后，控制单元9通过分析所连接的传感器15和17的信号来识别短路标准的取消。控制单元9断开机械开关单元3，因此将该机械开关单元的触点转换到这些触点的分离位置上。现在又只通过频率转换器2来供应功率。最后，对逆变器7的调节在断开开关单元3之后负责借助所谓的斜坡函数逐渐地重新建立耗电器网13中的60Hz交流电压。

Claims (11)

1.一种用于向耗电器网（13）馈送供电网（12）的电功率的设备（1），其中该设备（1）具有频率转换器（2），该频率转换器一方面能与供电网（12）连接而另一方面能与耗电器网（13）连接， 

其特征在于，机械开关单元（3）以及与该开关单元（3）连接的控制器件（9），该机械开关单元与频率转换器（2）并联地设置并且被设计用于桥接该频率转换器（2），以及该控制器件被设计用于在证明存在流经频率转换器（2）的短路电流时操作该开关单元（3） 

并且其特征在于， 

-被设计用于检测频率转换器（2）的供电网一侧的电输入测量参数（I_ein,U_ein）的输入测量传感器（14,16），以及 

-被设计用于检测频率转换器（2）的耗电器网一侧的电输出测量参数（I_aus,U_aus）的输出测量传感器（15,17）， 

-其中，所述控制器件（9）与所述输入测量传感器（14,16）和输出测量传感器（15,17）连接并且被设计为将所述频率转换器（2）的输出频率调节到该频率转换器的输入频率，并且一直延迟对机械开关单元（3）的操作，直到所选择的输入测量参数（U_ein）和相应的输出测量参数（U_aus）具有相同的频率和相位为止。

2.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，所述控制器件（9）与频率转换器（2）连接并且被设计用于影响频率转换器（2）的频率转换。 

3.根据权利要求1所述的设备（1），其特征在于，输入端器件（10），用于将所述设备与供电网连接，和/或输出端器件，用于将所述设备与耗电器网连接。 

4.根据权利要求1至3之一所述的设备（1），其特征在于，所述频率转换器（2）具有在直流电压一侧互相连接的转换器（6,7），其中每个转换器（6,7）具有可控的功率半导体阀。 

5.根据权利要求1至3之一所述的设备（1），其特征在于，所述机械开关单元（3）具有能够相对移动的触点。 

6.根据权利要求5所述的设备（1），其特征在于，所述机械开关单元具有 用于产生传动移动的传动单元和用于将传动移动引入所述触点的开关机构。 

7.一种用于向耗电器网（13）馈送供电网（12）的电功率的方法，其中该供电网（12）通过频率转换器（2）以及被设计为桥接该频率转换器（2）的机械开关单元（3）与耗电器网（13）连接，其中依据短路标准来监视该耗电器网（13），在出现短路标准时将耗电器网的频率转换为供电网的频率，其中该频率转换器将在没有短路的正常运行时通常的额定电流馈送到耗电器网中，并接着闭合该机械开关单元（3）以桥接所述频率转换器（2）。 

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于， 

-检测频率转换器（2）的供电网一侧的至少一个电输入参数U_ein，并且检测频率转换器（2）的耗电器网一侧的至少一个电输出参数U_aus， 

-将输入参数U_ein的相位与输出参数U_aus的相位进行比较，以及 

-在短路标准出现之后，在确定输入参数U_ein与输出参数U_aus之间存在相同频率和相位时才闭合所述机械开关单元（3）。 

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在操作所述机械开关单元（3）之后，所述频率转换器（2）将在正常运行时通常的额定电流馈送到耗电器网中。 

10.根据上述权利要求7至9之一所述的方法，其特征在于， 

-在桥接所述频率转换器（2）之后等待短路标准的取消， 

-在取消短路标准的情况下操作所述机械开关单元（3）以取消对频率转换器（2）的桥接，以及 

-再次将耗电器网的频率转换为在没有短路的正常运行时通常的频率。 

11.根据权利要求7至9之一所述的方法，其特征在于，监视器件检查在耗电器网（13）中是否产生能量，其中该监视器件在证明了耗电器网（13）中有能量产生的情况下阻止对开关单元（3）的操作。 

Images