DE102014223441B4 - Error detection for electrical networks - Google Patents
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Abstract
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz. Die Vorrichtung umfasst eine dq-Transformationseinrichtung, welche ausgebildet ist, für mindestens eine Phase unter Verwendung einer einphasigen Transformation eine q-Komponente zu erzeugen. Ferner eine Auswerteeinheit die ausgebildet ist, eine Spannungsabweichung in dem elektrischen Wechselspannungsnetz abhängig von der q-Komponente zu erkennen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn eine Spannungsabweichung vorliegt.Embodiments of the present invention provide a device for fault detection in an AC electrical network. The device comprises a dq transformation device which is designed to generate a q component for at least one phase using a single-phase transformation. Furthermore, an evaluation unit which is designed to detect a voltage deviation in the electrical AC voltage network as a function of the q component and to output an error signal if there is a voltage deviation.
Description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Fehlererkennung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz.Embodiments of the present invention relate to a device for fault detection in an electrical alternating voltage network. Further exemplary embodiments relate to a method for error detection in an electrical alternating voltage network.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit ein Konzept zur Detektion von Fehlern in elektrischen Netzen. Das Konzept kann z. B. in umrichtergekoppelten Energieversorgungsanlagen wie Solarwechselrichtern, Windkraftanlagen oder Blockheizkraftwerken (BHKW) eingesetzt werden, um Netzfehler zu erkennen. Ferner kann das Konzept zur dynamische Spannungshaltung verwendet werden (z. B. Fault-Ride-Through). Das Konzept zeichnet sich durch hohe Dynamik aus, und kann für Strom- und Spannungseinbrüche angewandt werden.The present invention thus describes a concept for the detection of faults in electrical networks. The concept can z. B. in inverter-coupled energy supply systems such as solar inverters, wind turbines or combined heat and power plants (CHP) can be used to detect network errors. Furthermore, the concept of dynamic voltage maintenance can be used (eg fault ride-through). The concept is characterized by high dynamics, and can be used for power and voltage dips.
Netzdienstleistungen zur Spannungshaltung (Spannungseinbruch) in elektrischen Netzen (z. B. TransmissionCode) sind in der BDEW Richtlinie (siehe Referenz [1]) und der VDE-AR-N 4105 (siehe Referenz [2]) festgelegt. Bei Stromrichtern in der Mittelspannung gehört die Spannungsstützung bei einem Spannungseinbruch durch Einspeisung von Blindleistung zum Stand der Technik. Es gibt Ansätze, dieses Verhalten auf die Niederspannung zu übertragen. Änderungsanträge zu Referenz [2] werden in Fachgremien besprochen.Mains services for voltage maintenance (voltage dip) in electrical networks (eg TransmissionCode) are specified in the BDEW guideline (see reference [1]) and VDE-AR-N 4105 (see reference [2]). In power converters in the medium voltage, the voltage support in a voltage dip by feeding reactive power to the state of the art. There are approaches to transfer this behavior to the low voltage. Amendments to reference [2] will be discussed in expert panels.
Der Spannungseinbruch erfolgt unvorhergesehen und hat je nach Netzbeschaffenheit und Fehlerentfernung große Kurzschlussströme zur Folge. Damit nicht unmittelbar die gesamte Erzeugungsleistung von dem fehlerbehafteten Netzabschnitt getrennt werden muss, wird versucht den Fehler zu „durchfahren”. Sowohl die Detektion des Fehlers als auch entsprechende Maßnahmen müssen daher schnellstmöglich stattfinden.The voltage dip occurs unpredictably and, depending on the network condition and error removal, results in large short-circuit currents. So that the entire generation power does not have to be separated directly from the faulty network section, an attempt is made to "drive through" the error. Both the detection of the error and corresponding measures must therefore take place as quickly as possible.
Aufgabe der Fehlererkennung ist es, möglichst schnell einen Netzfehler anzuzeigen und ggf. auch die Art des Fehlers zu bestimmen (z. B. symmetrisch oder unsymmetrisch). Als symmetrische Fehler werden dabei Netzfehler bezeichnet, welche sich auf sämtlichen Phasen gleichzeitig ereignen. Unsymmetrische Fehler betreffen eine oder mehrere Phasen. Als Netzfehler werden in diesem Dokument Spannungseinbrüche verstanden, die z. B. infolge von Kurz- oder Erdschlüssen entstehen können. Es ist z. B. für die dynamische Spannungshaltung neben der reinen Detektion des Fehlers ebenso wichtig, die Tiefe des Spannungseinbruchs möglichst schnell zu erkennen (Endwert).The task of error detection is to display a network error as quickly as possible and, if necessary, also to determine the type of error (eg symmetrical or asymmetrical). As symmetrical errors network errors are called, which occur simultaneously on all phases. Unbalanced errors affect one or more phases. As a network error voltage dips are understood in this document, the z. B. may arise as a result of short circuits or ground faults. It is Z. B. for the dynamic voltage maintenance in addition to the pure detection of the error just as important to detect the depth of the voltage drop as quickly as possible (final value).
Moderne Leistungselektronik in Stromrichtern kann im Gegensatz beispielsweise zu Synchrongeneratoren keine kurzfristigen Überströme zerstörungsfrei überstehen. Daher wird meist ein Überstromschutz durch Komparatoren hardwareseitig implementiert. Eine solche Schutzbeschaltung kommt in vielen Geräten bspw. mit moderner Leistungselektronik auch bei der Detektion eines Netzfehlers zum Tragen, um den Stromrichter zu schützen. Ist man in der Lage auf Grund der Topologie und einer schnellen Fehlerdetektion beim Spannungseinbruch auf Komparatoren zu verzichten, können in größeren Serien Kosten gesenkt werden, bei gleicher Sicherheit. Zusätzlich kann auf eine folgende Entsperrung der Leistungselektronik verzichtet werden, was das Reaktionsvermögen auf die Situation erhöht.In contrast to, for example, synchronous generators, modern power electronics in power converters can not withstand short-term overcurrents without destruction. Therefore, overcurrent protection by comparators is usually implemented on the hardware side. Such a protective circuit is used in many devices, for example, with modern power electronics even in the detection of a network failure to support in order to protect the power converter. If one is able to do without comparators on account of the topology and a quick fault detection during the voltage dip, costs can be reduced in larger series, with the same degree of safety. In addition, can be dispensed with a subsequent unlocking the power electronics, which increases the responsiveness to the situation.
Ein einfaches und intuitives Verfahren zur Fehlererkennung ist die Berechnung und Überwachung des gleitenden Effektivwertes der Netzspannung: mit dem wählbarem Parameter Tend. Der übliche Effektivwert wird über eine volle Periode ermittelt, womit sich bei 50 Hz Tend = 20 ms ergibt. Somit benötigt eine volle Bestimmung des Effektivwertes eine gesamte Netzperiode.A simple and intuitive method for error detection is the calculation and monitoring of the moving effective value of the mains voltage: with the selectable parameter T end . The usual rms value is determined over a full period, giving T end = 20 ms at 50 Hz. Thus, a full determination of the RMS value requires an entire network period.
Der Halbschwingungs-Effektivwert (die Idee sowie der Begriff Halbschwingungs-Effektivwert sind aus der FGW TR3 übernommen) wird nur über eine halbe Netzperiode berechnet (Tend = 10 ms) und ist somit doppelt so schnell. Die Fehlerauswertung kann dann z. B. über einen Schwellenvergleich mit oder ohne Hysterese erfolgen.The half-wave rms value (the idea and the term half-cycle rms value are taken from the FGW TR3) is calculated over half a grid period (T end = 10 ms) and is thus twice as fast. The error evaluation can then z. B. via a threshold comparison with or without hysteresis.
Die Umsetzung des Halbschwingungs-Effektivwerts ist einfach und sehr robust (Mittelwertbildung eliminiert hochfrequente Anteile wie Oberschwingungen und Rauschen). Symmetrische sowie unsymmetrische Fehler werden gleich gut erkannt. Die Dynamik des Verfahrens ist jedoch relativ niedrig, woraus sich eine längere Reaktionszeit ergibt.The implementation of the half-wave rms value is simple and very robust (averaging eliminates high-frequency components such as harmonics and noise). Symmetrical and unbalanced errors are recognized equally well. However, the dynamics of the process is relatively low, resulting in a longer reaction time.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine schnelle Erkennung von symmetrischen sowie unsymmetrischen Fehlern. Bei genügend steilen Fehlerflanken soll die Erkennung nur einen Abtastschritt benötigen. Das Konzept für die Fehlererkennung soll kostengünstig sein und eine hohe Dynamik aufweisen. Ferner soll mit zusätzlichen Freiheitsgraden die Robustheit des Verfahrens gegenüber der Dynamik einstellbar sein.Object of the present invention is a rapid detection of symmetrical and unbalanced errors. If the error edges are sufficiently steep, the detection should only be one sampling step need. The concept for error detection should be cost-effective and have high dynamics. Furthermore, the robustness of the method should be adjustable with respect to the dynamics with additional degrees of freedom.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 19, und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 20 gelöst.This object is achieved by a device according to
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz. Die Vorrichtung umfasst eine dq-Transformationseinrichtung, welche ausgebildet ist, für mindestens eine Phase unter Verwendung einer einphasigen Transformation eine q-Komponente zu erzeugen. Ferner eine Auswerteeinheit die ausgebildet ist, eine Spannungsabweichung in dem elektrischen Wechselspannungsnetz abhängig von der q-Komponente zu erkennen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn eine genügend große Spannungsabweichung vorliegt. An mindestens einer der Phasen ist ein Phasenverzögerer vorgesehen, wobei der Phasenverzögerer ausgebildet ist, ein jeweiliges Eingangssignal der jeweiligen Phase zu erfassen und ein jeweiliges gegenüber dem jeweiligen Eingangssignal um einen Phasenwinkel von 90° verzögertes Signal auszugeben. Ferner ist die dq-Transformationseinrichtung ausgebildet, das jeweilige Eingangssignal und das jeweilige verzögerte Signal zu empfangen. Durch den Phasenverzögerer wird aus dem Eingangssignal einer Phase des elektrischen Wechselspannungsnetzes das verzögerte Signal derselben Phase erzeugt. Das Eingangssignal und das verzögerte Signal werden verwendet, um eine dq-Transformation, welche auch als Park-Transformation bezeichnet wird, durchzuführen.Embodiments of the present invention provide a device for fault detection in an AC electrical network. The device comprises a dq transformation device which is designed to generate a q component for at least one phase using a single-phase transformation. Furthermore, an evaluation unit which is designed to detect a voltage deviation in the electrical AC voltage network as a function of the q-component and to output an error signal if there is a sufficiently large voltage deviation. A phase retarder is provided on at least one of the phases, the phase retarder being designed to detect a respective input signal of the respective phase and to output a respective signal which is delayed by a phase angle of 90 ° with respect to the respective input signal. Furthermore, the dq transformation device is designed to receive the respective input signal and the respective delayed signal. By the phase retarder, the delayed signal of the same phase is generated from the input signal of a phase of the electrical alternating voltage network. The input signal and the delayed signal are used to perform a dq transformation, also referred to as a park transform.
Die Idee der sdq-Überwachung (einphasigen dq-Überwachung) ist es, die extrem schnelle Reaktion in der q-Komponente der Netzspannung auf einen Spannungseinbruch zu nutzen. Um das Verfahren auf alle Spannungsfehler ausweiten zu können, wird für jede Phase eine eigene, sdq-Transformation (einphasige dq-Transformation) durchgeführt. Von den so in einem dreiphasigen elektrischen Netz erhaltenen sechs Indikatorspannungen (drei d-Komponenten und drei q-Komponenten) werden nur die drei q-Komponenten verwendet, um mittels eines Schwellwertvergleiches einen Fehler festzustellen. Somit kann auch die Fehlerart (symmetrisch oder unsymmetrisch) genau erkannt werden.The idea of sdq monitoring (single-phase dq monitoring) is to use the extremely fast response in the q component of the line voltage to a voltage dip. In order to be able to extend the process to all voltage errors, a separate sdq transformation (single-phase dq transformation) is carried out for each phase. Of the six indicator voltages thus obtained in a three-phase electrical network (three d-components and three q-components), only the three q-components are used to detect an error by means of a threshold comparison. Thus, the type of fault (symmetric or unbalanced) can be accurately detected.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das elektrische Wechselspannungsnetz als ein mehrphasiges elektrisches Netz ausgebildet. Elektrische Wechselspannungsnetze sind unter anderem zur effizienteren Energieübertragung mehrphasig ausgelegt. Ferner können beispielsweise Antriebe wie Elektromotoren mit einem mehrphasiges elektrischen Netz zuverlässiger gestartet bzw. angefahren werden.In a preferred embodiment, the electrical AC voltage network is designed as a multi-phase electrical network. Electrical alternating voltage grids are designed, among other things, for the more efficient energy transfer in multi-phase. Furthermore, for example, drives such as electric motors can be started or started more reliably with a multi-phase electrical network.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Phasenverzögerer als ein verallgemeinerte Integrator zweiter Ordnung (Second Order Generalized Integrator, SOGI) ausgebildet. Durch einen verallgemeinerten Integrator zweiter Ordnung kann für jede der Phasen ein verzögertes Signal mit einer Phasenverschiebung von 90° zu dem jeweiligen Eingangssignal erzeugt werden.In a further preferred embodiment, the phase retarder is designed as a generalized second order integrator (SOGI). By a generalized second-order integrator, a delayed signal with a phase shift of 90 ° to the respective input signal can be generated for each of the phases.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der verallgemeinerte Integrator zweiter Ordnung zeitdiskret ausgebildet. Bei einem zeitdiskreten Schaltungsaufbau können die Signale digital beispielsweise mittels eines digitalen Signalprozessors verarbeitet werden. Digitalsignalprozessoren sind bei komplexem Schaltungsaufbau häufig kostengünstiger als der Aufbau einer analogen bzw. diskreten Schaltung.In a preferred embodiment, the generalized second order integrator is time discrete. In a discrete-time circuit configuration, the signals can be processed digitally, for example by means of a digital signal processor. Digital signal processors are often more cost effective in complex circuit design than the construction of an analog or discrete circuit.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der verallgemeinerte Integrator zweiter Ordnung zeitkontinuierlich ausgebildet. Ein zeitkontinuierlicher Schaltungsaufbau kann mit analogen Schaltungselementen erfolgen. Dadurch reduziert sich der Programmieraufwand für einen Phasenverzögerer. Zusätzlich ist ein robuster Aufbau der Schaltung möglich.In a preferred embodiment, the generalized second-order integrator is formed continuous-time. A continuous-time circuit design can be done with analog circuit elements. This reduces the programming effort for a phase retarder. In addition, a robust construction of the circuit is possible.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Clarke-Transformations-Einrichtung, welche ausgebildet ist, α-Komponenten und β-Komponenten aus einem dreiphasigen elektrischen Netz zu erzeugen. Durch eine Clarke-Transformation in der Clarke-Transformations-Einrichtung werden die dreiphasigen Größen (Strom, Spannung) eines elektrischen Netzes einer Drehstrommaschine in ein einfacheres zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen α und β überführt. Die α-Komponente zeigt dabei in der komplexen Ebene den Realteil, während die β-Komponente den Imaginärteil abbildet.In a further preferred embodiment, the device additionally comprises a Clarke transformation device, which is designed to generate α components and β components from a three-phase electrical network. A Clarke transformation in the Clarke Transformer converts the three-phase quantities (current, voltage) of an electrical network of a three-phase machine into a simpler two-axis coordinate system with the axes α and β. The α-component shows the real part in the complex plane, while the β-component shows the imaginary part.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Phasenregelschleife (PLL), welche ausgebildet ist, die α-Komponente und die β-Komponente von der Clark-Transformations-Einrichtung zu empfangen und ein auf die α-Komponente und die β-Komponente abgestimmtes Sinussignal sowie ein gegenüber dem Sinussignal um 90° phasenverschobenes Cosinussignal zu erzeugen. Für die dq-Transformation wird ein aus der α-Komponente und β-Komponente erzeugtes Sinussignal sowie ein gegenüber dem Sinussignal um 90° phasenverschobenes Cosinussignal benötigt. Das Sinussignal und das Cosinussignal kann durch die Phasenregelschleife erzeugt werden. Die Phasenverschiebung zwischen dem Sinussignal und dem Cosinussignal kann dabei eine Toleranz von ca. ±5° aufweisen.In a preferred embodiment, the device additionally includes a phase locked loop (PLL) configured to receive the α component and the β component from the Clark transform means and a sinusoidal signal tuned to the α component and the β component and to generate a cosine signal phase-shifted by 90 ° with respect to the sine signal. For the dq transformation, a sinusoidal signal generated from the α component and β component and a cosine signal phase-shifted by 90 ° with respect to the sine signal are required. The sine signal and the cosine signal can be generated by the phase locked loop. The phase shift between the sine signal and The cosine signal can have a tolerance of about ± 5 °.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein erster Signalverzögerer ausgebildet, um ein gegenüber dem Sinussignal um 120° verzögertes Sinussignal und ein gegenüber dem Cosinussignal um 120° verzögertes Cosinussignal zu erzeugen. Ferner ist ein zweiter Signalverzögerer ausgebildet, um ein gegenüber dem Sinussignal um 240° verzögertes Sinussignal und ein gegenüber dem Cosinussignal um 240° verzögertes Cosinussignal zu erzeugen. Die durch den ersten und zweiten Signalverzögerer verzögerten Sinussignale und Cosinussignale werden ebenfalls für die dq-Transformation benötigt. Die Phasenverschiebung zwischen dem um 120° bzw. um 240° verzögerten Sinussignal zu dem um 120° bzw. um 240° verzögerten Cosinussignal kann ebenfalls eine Toleranz von ca. ±5° aufweisen. Ein symmetrisches Dreiphasensystem (120°) mit der Amplitude A kann auf verschiedene Weise generiert werden, z. B. sin (ωt + 120°) etc.In a further preferred embodiment, a first signal delay is designed to generate a sinusoidal signal delayed by 120 ° with respect to the sine signal and a cosine signal delayed by 120 ° with respect to the cosine signal. Furthermore, a second signal delay is designed to generate a sinusoidal signal delayed by 240 ° with respect to the sine signal and a cosine signal delayed by 240 ° with respect to the cosine signal. The sine and cosine signals delayed by the first and second signal delays are also needed for the dq transformation. The phase shift between the sinusoidal signal delayed by 120 ° or by 240 ° to the cosine signal delayed by 120 ° or by 240 ° can likewise have a tolerance of approximately ± 5 °. A balanced three-phase system (120 °) with the amplitude A can be generated in different ways, eg. Sin (ωt + 120 °) etc.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung drei Phasenregelschleifen wobei jede der Phasenregelschleife ausgebildet ist, die α-Komponente und die β-Komponente von der Clark-Transformations-Einrichtung zu empfangen und für eine jeweilige der Phasen ein auf die α- Komponente und die β-Komponente abgestimmtes Sinussignal sowie ein gegenüber dem Sinussignal um 90° phasenverschobenes Cosinussignal zu erzeugen, wobei jede der drei Phasenregelschleifen das jeweilige Sinussignal und das jeweilige Cosinussignal einer anderen Phase erzeugt. Ferner kann auch eine Phasenregelschleife aus der α-Komponente und der β-Komponente für jede der Phasen ein auf die α-Komponente und die β-Komponente abgestimmtes Sinussignal sowie ein gegenüber dem Sinussignal um 90° phasenverschobenes Cosinussignal erzeugen. Durch die Erzeugung des Sinussignals und des Cosinussignals für jede der Phasen in einem elektrischen Netz kann auf zusätzliche die Signalverzögerer, welche das Sinussignal und das Cosinussignal verzögern, verzichtet werden. Die Phasenverschiebung zwischen jedem der Sinussignale und dem dazu 90° phasenverschobenen Cosinussignal kann wiederum eine Toleranz von ca. ±5° aufweisen.In a preferred embodiment, the apparatus comprises three phase-locked loops, each of the phase-locked loops being configured to receive the α-component and the β-component from the Clark transformation device and for each of the phases to be input to the α-component and the β-component. Component to generate tuned sinusoidal signal and a relation to the sine signal phase-shifted by 90 ° cosine signal, each of the three phase locked loops generates the respective sine signal and the respective cosine signal of another phase. Furthermore, a phase-locked loop of the α-component and the β-component for each of the phases can generate a sinusoidal signal tuned to the α-component and the β-component and a cosine signal phase-shifted by 90 ° with respect to the sinusoidal signal. By generating the sine signal and the cosine signal for each of the phases in an electrical network, the signal delayers delaying the sine signal and the cosine signal can be dispensed with in addition. The phase shift between each of the sinusoidal signals and the cosine signal phase-shifted to 90 ° can in turn have a tolerance of about ± 5 °.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die q-Komponente eine q-Spannung. Die q-Spannung kann mit einfachen Mitteln, wie beispielsweise einem Komparator, kostengünstig auf einen Schwellwert überwacht werden.In a further preferred embodiment, the q-component comprises a q-voltage. The q-voltage can be monitored inexpensively to a threshold value by simple means such as a comparator.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die dq-Transformationseinrichtung ausgebildet, mit einem Eingangssignal, einem verzögerten Signal, das auf das Eingangssignal abgestimmt ist, sowie mit einem Sinussignal sin(ωt) und einem Cosinussignal cos(ωt), welches gegenüber dem Sinussignal um 90° phasenverschoben ist, eine Park-Transformation für jede der Phasen auszuführen, wobei die Park-Transformation durch die Gleichung
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, die q-Komponente mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Schwellwert über- oder unterschritten wird. Durch einen Schwellwert wird ein Wert für die q-Komponente definiert. Bis zum Erreichen dieses Schwelwertes kann davon ausgegangen werden, dass kein Fehler in dem elektrischen Wechselspannungsnetz vorliegt und das elektrische Wechselspannungsnetz somit fehlerfrei ist. Beim Über- oder Unterschreiten des Schwelwertes ist davon auszugehen, dass das elektrische Wechselspannungsnetz einen Fehler aufweist.In a preferred embodiment, the evaluation device is designed to compare the q-component with at least one threshold value and to output an error signal if the threshold value is exceeded or undershot. A threshold defines a value for the q component. Until this threshold value is reached, it can be assumed that there is no fault in the electrical alternating voltage network and the electrical alternating voltage network is thus faultless. When exceeding or falling below the threshold value, it can be assumed that the electrical AC voltage network has an error.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, ein Fehlersignal auszugeben, wenn in dem elektrischen Wechselspannungsnetz an mindestens einer der Phasen die q-Komponente den Schwellwert über- oder unterschreitet. Durch die Ausgabe eines Fehlersignals können Maßnahmen beispielsweise zum Schutz der im elektrischen Wechselspannungsnetz vorhandenen Komponenten getroffen werden. Ferner können auch Maßnahmen zur Isolierung der Fehler verursachenden Komponente getroffen werden. Ferner können Personen über den Zustand des elektrischen Wechselspannungsnetzes informiert werden.In a further preferred embodiment, the evaluation device is designed to output an error signal if the q component exceeds or falls below the threshold value in at least one of the phases in the electrical alternating voltage network. By issuing an error signal, measures can be taken, for example, to protect the components present in the electrical alternating voltage network. Furthermore, measures can also be taken to isolate the component causing the fault. Furthermore, persons can be informed about the state of the electrical alternating voltage network.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet zu bestimmen, ob ein symmetrischer oder ein unsymmetrischer Netzfehler vorliegt bzw. ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, einen Endwert der Spannungsabweichung zu bestimmen. Ferner ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, ein Fehlersignal auszugeben, welches abhängig ist von der Art des Fehlers. Durch eine möglichst schnelle Bestimmung der Fehlerart bzw. des Endwerts der Spannungsabweichung, welche durch den Fehler verursacht wird, kann beispielsweise eine mögliche Fehlerquelle schnell bestimmt werden. Dadurch können wiederum sehr schnell Maßnahmen zum Schutz weiterer Komponenten in dem elektrischen Wechselspannungsnetz getroffen werden. Auch kann durch eine schnelle und präzise Fehlerbestimmung weiterer Schaden an der den Fehler verursachenden Komponente verhindert werden. Dadurch lassen sich Folgekosten des Fehlers reduzieren.In a preferred embodiment, the evaluation device is designed to determine whether a symmetrical or an asymmetrical network fault is present or if the evaluation device is designed to determine a final value of the voltage deviation. Furthermore, the evaluation device is designed to output an error signal, which depends on the type of error. By the fastest possible determination of the type of error or the final value of the voltage deviation, which is caused by the error can For example, a possible source of error can be determined quickly. As a result, measures for protecting further components in the electrical alternating voltage network can again be taken very quickly. Also can be prevented by a fast and precise error determination further damage to the component causing the error. This reduces the consequential costs of the error.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung für eine Nennfrequenz von 50, 60 oder 162/3 Hz ausgebildet. Ferner kann die Vorrichtung frequenzadaptiv ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann mit ihren Komponenten auf eine bestimmte Nennfrequenz ausgebildet sein, um bei entsprechenden Frequenzen betrieben zu werden und bei Abweichungen von der Nennfrequenz, welche eine bestimmte Toleranz überschreitet, ein Fehlersignal auszugeben. Ein Fehlersignal kann beispielsweise ausgegeben werden, wenn die Vorrichtung eine Abweichung der Frequenz gegenüber der Nennfrequenz von mehr als ±1% oder ±5% erkennt. Durch das Anpassen der Vorrichtung auf eine bestimmte Nennfrequenz ist ein einfacher Schaltungsaufbau mit kostengünstigeren Komponenten möglich. Ein frequenzadaptiver Schaltungsaufbau ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung in verschiedenen elektrischen Netzen oder bei Netzen schwankender Netzfrequenz. In Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, beispielsweise durch vorgängige Auswahl der Nennfrequenz die Vorrichtung an die Nennfrequenz angepasst zu betreiben.In a further preferred embodiment of the apparatus for a nominal frequency of 50 is formed 60 or 16 2/3 Hz. Furthermore, the device can be designed to be adaptive to frequency. The device may be designed with its components at a specific nominal frequency in order to be operated at corresponding frequencies and to output an error signal in the event of deviations from the nominal frequency which exceeds a certain tolerance. For example, an error signal may be output if the device detects a frequency deviation from the nominal frequency greater than ± 1% or ± 5%. By adapting the device to a specific nominal frequency, a simple circuit construction with lower-cost components is possible. Frequency-adaptive circuitry allows use of the device in various electrical networks or in networks of fluctuating network frequency. In embodiments, it is also possible to operate the device adapted to the nominal frequency, for example, by preselecting the nominal frequency.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained with reference to the accompanying figures. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwertige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen austauschbar ist.In the following description of the embodiments of the invention, the same or equivalent elements in the figures are given the same reference numerals, so that their description in the different embodiments is interchangeable.
Als Wechselspannungsnetz wird ein elektrisches Netz bezeichnet welches eine Wechselspannung an einen elektrischen Verbraucher (z. B. Motor, Heizung, Beleuchtung usw.) ausgibt. Als Wechselspannungsnetz kann auch ein Wechselstromnetz oder allgemein gesagt ein elektrisches Netz mit einer elektrischen Wechselgröße bezeichnet werden.An alternating voltage network is an electrical network which outputs an alternating voltage to an electrical consumer (eg motor, heating, lighting, etc.). As an alternating voltage network, an alternating current network or, generally speaking, an electrical network with an electrical alternating quantity can also be designated.
Als Fehler kann eine Abweichung vom normalen Spannungswert bezeichnet werden. Dabei kann die Spannung einen Wert über dem normalen Spannungswert oder einen Wert unter dem normalen Spannungswert annehmen. Beispielsweise kann ein normaler Spannungswert dem Effektivwert von 230 V entsprechen. Abhängig von Netznormierungen kann eine Abweichung von ±10% als Netzspannungstoleranz angesehen werden, d. h. es wird kein Fehler ausgegeben, wenn der Spannungswert innerhalb der Netzspannungstoleranz liegt. Das Vorliegen eines Fehler kann beispielsweise angenommen werden, wenn der Effektivwert des Spannungswertes um 15% über oder um 15% unterschritten wird.An error can be a deviation from the normal voltage value. In this case, the voltage may assume a value above the normal voltage value or a value below the normal voltage value. For example, a normal voltage value may correspond to the rms value of 230V. Depending on network normalization, a deviation of ± 10% can be considered as a line voltage tolerance, ie. H. no error is output if the voltage value is within the mains voltage tolerance. The presence of an error can be assumed, for example, if the rms value of the voltage value is exceeded by 15% or 15%.
Die Vorrichtung umfasst eine dq-Transformationseinrichtung, welche ausgebildet ist, für mindestens eine der Phasen unter Verwendung einer einphasigen Transformation eine q-Komponente zu erzeugen. Die in der
Die q-Komponente umfasst beispielsweise den Wert einer analogen elektrische Spannung oder eines analogen elektrischen Stroms. Vorzugsweise ist die q-Komponente eine q-Spannung. Die q-Komponente kann anstelle eines analogen Signales auch ein digitales Signal sein und damit als Bitkombination vorliegen. Eine Bitkombination und damit ein digitaler Wert kann einfach in einem digitalen Speicher, beispielsweise einem RAM oder auf einer Harddisk, abgelegt werden. Ferner kann ein digitaler Wert durch beispielsweise einen Algorithmus in einem digitalen Computer oder Prozessor verarbeitet werden.The q component includes, for example, the value of an analog electrical voltage or an analog electrical current. Preferably, the q-component is a q-voltage. The q component can also be a digital signal instead of an analog signal and thus be present as a bit combination. A bit combination and thus a digital value can simply be stored in a digital memory, for example a RAM or on a hard disk. Further, a digital value may be processed by, for example, an algorithm in a digital computer or processor.
Bei der dq-Transformation bzw. der Park-Transformation wird ein Eingangssignal SRA, SRB, SRC mit dem Formelzeichen ur sowie ein um 90° verzögertes Signal SIA, SIB, SIC mit dem Formelzeichen ui, das auf das Eingangssignal SRA, SRB, SRC abgestimmt ist, zur Transformation verwendet. Die Verzögerung zwischen dem Eingangssignal SRA, SRB, SRC sowie dem verzögerten Signal SIA, SIB, SIC sollte eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen von vorzugsweise 90° ± 5° (Toleranz ≤ ±5°) betragen. Ferner wird ein Sinussignal sin(ωt) und ein Cosinussignal cos(ωt), wobei das Cosinussignal cos(ωt) gegenüber dem Sinussignal sin(ωt) um 90° phasenverschoben ist, für die dq-Transformation benötigt. Die dq-Transformation wird für jede der Phasen des elektrischen Wechselspannungsnetzes ausgeführt. Die dq-Transformation ist durch die Gleichung
Die q-Komponente SQA, SQB, SQC mit dem Formelzeichen uq ist gemäß vorhergehender Gleichung abhängig von dem Eingangssignal ur (SRA, SRB, SRC), welches den Spannungsverlauf der überwachten Phasen des elektrischen Wechselspannungsnetzes aufzeigt, sowie dem verzögerten Signal ui (SIA, SIB, SIC), welches einen um 90° ± 5° verzögerten Signalverlauf gegenüber dem Eingangssignal ur (SRA, SRB, SRC) aufweist. Somit ist die q-Komponente SQA, SQB, SQC direkt abhängig vom Wert des Eingangssignals SRA, SRB, SRC bzw. dem verzögerten Signal SIA, SIB, SIC der überwachten Phasen des elektrischen Wechselspannungsnetzes. Durch die drei parallel zueinander angeordneten dq-Transformationseinrichtungen
Die Eingangssignale SRA, SRB und SRC entsprechen den Eingangsspannungen mit dem Formelzeichen ur, wobei jedes Signal das Eingangssignal einer der drei Phasen A, B, C bezeichnet. Die Signale SIA, SIB und SIC entsprechen dem verzögerten Signal mit dem Formelzeichen ui, wobei wiederum jedes Signal das Eingangssignal einer der drei Phasen bezeichnet. Die Signale Si1, Si2 und Si3 entsprechen dem Sinussignal mit dem Formelzeichen sin(ωt), wobei das Signal Si2 gegenüber dem Signal Si1 eine Phasenverschiebung von 120° und das Signal Si3 gegenüber dem Signal Si1 eine Verzögerung von 240° aufweist. Die Signale C1, Co2 und Co3 entsprechen dem Cosinussignal mit dem Formelzeichen cos(ωt), wobei das Signal Co2 gegenüber dem Signal Co1 eine Phasenverschiebung von 120° und das Signal Co3 gegenüber dem Signal Co1 eine Verzögerung von 240° aufweist. Die Signale SQA, SQB und SQC entsprechen der q-Komponente mit dem Formelzeichen uq, wobei jedes Signal SQA, SQB, SQC die q-Komponente einer der drei Phasen bezeichnet.The input signals SRA, SRB and SRC correspond to the input voltages with the symbol u r , where each signal designates the input signal of one of the three phases A, B, C. The signals SIA, SIB and SIC correspond to the delayed signal with the symbol u i , where again each signal denotes the input signal of one of the three phases. The signals Si1, Si2 and Si3 correspond to the sine signal with the symbol sin (ωt), wherein the signal Si2 has a phase shift of 120 ° with respect to the signal Si1 and the signal Si3 has a delay of 240 ° with respect to the signal Si1. The signals C1, Co2 and Co3 correspond to the cosine signal with the symbol cos (ωt), wherein the signal Co2 has a phase shift of 120 ° with respect to the signal Co1 and the signal Co3 has a delay of 240 ° with respect to the signal Co1. The signals SQA, SQB and SQC correspond to the q-component with the symbol u q , where each signal SQA, SQB, SQC designates the q-component of one of the three phases.
Ferner umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit
Die Auswerteeinheit
Die Auswerteeinheit
Zur Erkennung, ob ein Fehler vorliegt, kann die Auswerteeinrichtung
Die Auswerteeinrichtung
Die Auswerteeinrichtung
Die Auswerteeinrichtung
Die Auswerteeinrichtung
Die Eingangssignale SRA, SRB, SRC der dq-Transformationseinrichtungen
An jeder der Phasen A, B, C kann einer der Phasenverzögerer
Ferner ist eine Clarke-Transformations-Einrichtung
Die Clarke-Transformations-Einrichtung
Der Ausgang der Phasenregelschleife
Ferner kann zwischen den Ausgang der Phasenregelschleife
Weiter kann zwischen den Ausgang der Phasenregelschleife
In Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung auch drei Phasenregelschleifen umfassen, bzw. eine Phasenregelschleife für jede der Phasen A, B, C. Jede der Phasenregelschleife ist ausgebildet, die α-Komponente und die β-Komponente von der Clark-Transformations-Einrichtung
In Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung eine Phasenregelschleife umfassen, welche ausgebildet ist, die α-Komponente und die β-Komponente von der Clark-Transformations-Einrichtung
In Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung für eine Nennfrequenz von 50, 60 oder 162/3 Hz ausgebildet. Somit können elektrische Netze mit Frequenzen, welche insbesondere in Europa bzw. den USA bei der öffentlichen Stromversorgung typisch sind, sowie elektrische Netze, welche beispielsweise bei Schienenverkehrssystemen verbreitet sind, überwacht werden. Die Angleichung an elektrische Netze mit unterschiedlichen Frequenzen kann dabei durch die Verwendung unterschiedlicher Komponenten oder durch Parametrisierung beispielsweise der Phasenregelschleife
Die Auswertung der Spannungen SQA erfolgt in der Auswerteeinheit
Bekannte dq-Transformationen sind für dreiphasige Systeme definiert. Für einphasige Systeme muss die dq-Transformation deshalb modifiziert werden. Hierzu muss man pro Phase ein um 90° versetztes Signal erzeugen, welches im Blockschaltbild zunächst einfach als Zeitverzögerung dargestellt ist (siehe z. B. die Referenz [3] und [4]). Somit erhält man die αβ-Komponenten jeder Phase, Diese können dann in die dq-Komponenten gewandelt werden, indem man den Netzwinkel (Phasenverschiebung, Phasendifferenz) jeder Phase zur Transformation verwendet. Als Netzwinkel wird die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasen bezeichnet. In einem dreiphasigen elektrischen Netz beträgt der Netzwinkel je 120°.Known dq transformations are defined for three-phase systems. For single-phase systems, therefore, the dq transformation must be modified. To do this, one must generate a signal offset by 90 ° per phase, which is initially simply represented as a time delay in the block diagram (see, for example, references [3] and [4]). Thus, one obtains the αβ components of each phase, which can then be converted into the dq components by using the network angle (phase shift, phase difference) of each phase for transformation. The network angle is the phase shift between the individual phases. In a three-phase electrical network, the network angle is 120 ° each.
Die einphasige dq-Transformation selbst ergibt sich dann aus folgenden Gleichungen (siehe auch z. B. die Referenz [3])
Die 90°-Phasenverschiebung mit den Phasenverzögerern
Um die Robustheit zu erhöhen, kann die Phasenverschiebung auch mittels SOGI-Tiefpass (G2(s)) realisiert werden, welcher höhere Frequenzen als die Netzfrequenz dämpft. Hierdurch werden z. B. Oberschwingungen besser unterdrückt, die Dynamik des Verfahrens wird jedoch verschlechtert, da im Spannungssprung des Fehlers hohe Frequenzen auftreten. To increase the robustness, the phase shift can also be realized by means of SOGI low pass (G 2 (s)), which attenuates higher frequencies than the mains frequency. As a result z. B. harmonics better suppressed, the dynamics of the process is degraded, however, since high frequencies occur in the voltage jump of the error.
Die Netzwinkel der Phasenregelschleife
Die Robustheit des sdq-Verfahrens wurde schon aufgegriffen und soll hier nochmals dargestellt werden. Das Verfahren besitzt einen Freiheitsgrad, mit dem die Robustheit und somit auch die Dynamik eingestellt werden kann. Wesentliche Stellglieder hierfür sind die Realisierung der 90°-Phasenverschiebungen sowie der Verstärkungsfaktor k der SOGI-Struktur.The robustness of the sdq method has already been taken up and will be shown here again. The method has a degree of freedom with which the robustness and thus also the dynamics can be adjusted. Essential actuators for this are the realization of the 90 ° phase shifts and the gain factor k of the SOGI structure.
Da die Netzfrequenz aus der Phasenregelschleife nachgeführt wird, ist das Verfahren robust gegenüber kleinen Frequenzänderungen (z. B. zwischen 49.8 Hz und 50.2 Hz). Dabei spielt es keine Rolle, ob die Frequenzänderungen langsam oder sprunghaft sind. Auch bei einer SOGI-Struktur, welche frequenzstarr auf 50 Hz festgelegt wird, kann eine Verstimmung des Verfahrens aufgrund einer von 50 Hz abweichenden Frequenz nicht festgestellt werden.Since the line frequency is tracked out of the phase locked loop, the method is robust against small frequency changes (eg between 49.8 Hz and 50.2 Hz). It does not matter if the frequency changes are slow or erratic. Even with a SOGI structure, which is fixed in a frequency-locked manner to 50 Hz, a detuning of the method due to a frequency deviating from 50 Hz can not be determined.
Eine Anpassung des Verfahrens auf andere Frequenzen wie 162/3 Hz (Bahnnetz) oder 60 Hz (USA) ist möglich und einfach zu implementieren.An adaptation of the procedure to other frequencies such as 16 2/3 Hz (rail systems) or 60 Hz (USA) is possible and easy to implement.
In Ausführungsbeispielen kann das gesamte Verfahren frequenzadaptiv ausgeführt werden, was allerdings zu einem komplexeren System führt.In embodiments, the entire method may be frequency adaptive, but this leads to a more complex system.
Oberschwingungen im Originalsystem der Netzspannung führen zu Schwingungen in den Indikatorspannungen (ud, uq) des sdq-Verfahrens, wodurch eine Auswertung über einen Schwellwert erschwert wird. Sobald die Schwingungen das Hystereseband der Auswertung übersteigen, ist keine sichere Detektion mehr möglich. Wird die 90°-Phasenverschiebung durch SOGI-Strukturen erzeugt, kann die Robustheit gegenüber Oberschwingungen deutlich erhöht werden.Harmonics in the original system of the mains voltage lead to oscillations in the indicator voltages (u d , u q ) of the sdq method, whereby an evaluation over a threshold value is made more difficult. As soon as the vibrations exceed the hysteresis band of the evaluation, reliable detection is no longer possible. If the 90 ° phase shift is generated by SOGI structures, the robustness to harmonics can be significantly increased.
Das Messrauschen hat auf das Verfahren einen tendenziell sehr geringen Einfluss, da das Messrauschen üblicherweise sehr hochfrequent ist. Oberschwingungen sind gegenüber dem Messrauschen deutlich dominanter im Einfluss auf die Indikatorspannungen.The measurement noise tends to have a very low influence on the method since the measurement noise is usually very high-frequency. Harmonics are significantly more dominant in terms of measurement noise in influencing the indicator voltages.
Bei Ausführungsbeispielen in realen Anlagen kann es z. B. durch die Netzimpedanz (z. B. durch den Blocktransformator) zu langen und extrem starken Schwingungen der Netzspannung am Fehleranfang und Fehlerende kommen. Eine Leermessung an einem 6-MVA Prüfcontainer zeigte z. B. ein solch extremes Verhalten sehr deutlich. Dies stellt prinzipiell kein Problem für das sdq-Verfahren dar. Bei sehr langen Schwingungen kann es aber dazu führen, dass ein Netzfehler mehrfach erkannt und als geklärt erscheinen kann.In embodiments in real systems, it may, for. B. by the network impedance (eg., By the block transformer) to long and extremely strong oscillations of the mains voltage at the beginning and end of error come. An empty measurement on a 6-MVA test container showed z. B. such extreme behavior very clearly. In principle, this poses no problem for the sdq method. However, in the case of very long oscillations, it can lead to a network fault being recognized several times and appearing to have been clarified.
Die dq-Transformation ist eigentlich dreiphasig. Dabei ist die dq-Transformation sowohl im einphasigen als auch im dreiphasigen Fall eine rein algebraische Berechnung.The dq transformation is actually three-phase. The dq transformation is a purely algebraic calculation both in the single-phase and in the three-phase case.
Die Implementierung der Schaltung kann, wie hier beschrieben, zeitkontinuierlich erfolgen. Es ist aber auch eine zeitdiskrete Umsetzung der SOGI-Struktur möglich. Dies erfordert einen gewissen zusätzlichen Aufwand. Anleitung zu einer zeitdiskreten Umsetzung gibt es in Spezialliteratur (siehe z. B. Referenz [5]).The implementation of the circuit can, as described here, be continuous-time. However, a discrete-time implementation of the SOGI structure is also possible. This requires a certain additional effort. Guidance on discrete-time implementation can be found in special literature (see, for example, reference [5]).
Der große Vorteil des Verfahrens ist die extrem schnelle Erkennung von symmetrischen sowie unsymmetrischen Fehlern, die bei genügend steilen Fehlerflanken nur einen Abtastschritt benötigt. Weiterhin gibt es Freiheitsgrade, um die Robustheit des Verfahrens gegenüber der Dynamik einzustellen.The big advantage of the method is the extremely fast detection of symmetrical and unbalanced errors, which requires only one scanning step with sufficiently steep error edges. Furthermore, there are degrees of freedom to adjust the robustness of the method to the dynamics.
Gegenüber gewissen bekannten Systemen kann eine sdq-Fehlererkennung eine geringere Robustheit bei hoher Komplexität aufweisen. Für eine Umsetzung der SOGI-Struktur auf digitalen Systemen existieren effiziente und etablierte Möglichkeiten.Compared to certain known systems, sdq error detection can have lower robustness and high complexity. For the implementation of the SOGI structure on digital systems exist efficient and established possibilities.
Bekannte, dem sdq-Verfahren ähnliche Verfahren sind sogenannte Delayed Signal Cancellation- oder die T/4-Methode (siehe Referenz [6] und [7]). Diese basieren nicht auf der einphasigen dq-Transformation, sondern auf der Aufspaltung in symmetrische Komponenten. Ausführungsbeispiele der Erfindung weisen jedoch gegenüber diesen Systemen eine größere Dynamik auf, da keine Aufspaltung in symmetrische Komponenten vorgenommen wird und es werden unsymmetrische Fehler detektiert Gemeinsam ist den Verfahren auch die künstliche Phasenverschiebung der Eingangssignale um 90° (T/4).Known procedures similar to the sdq method are so-called delayed signal cancellation or the T / 4 method (see reference [6] and [7]). These are not based on the single-phase dq transformation, but on the splitting into symmetrical components. Embodiments of the invention, however, have greater dynamics than these systems, since no splitting into symmetrical components is performed and unbalanced errors are detected. Common to the methods is also the artificial phase shift of the input signals by 90 ° (T / 4).
Gemäß den Referenzen [6] und [7] werden die Signale im αβ-System um 90° verschoben und dann in symmetrische Komponenten zur Auswertung aufgespalten.According to references [6] and [7], the signals in the αβ system are shifted by 90 ° and then split into symmetrical components for evaluation.
In
Bei k = v ergibt sich eine kritische Dämpfung. Der Wert wird als Standard verwendet. Die Struktur kann frequenzadaptiv gestaltet werden, indem die Netzfrequenz ω aus der Phasenregelschleife (phase-locked loop, PLL) nachgeführt wird. In Ausführungsbeispielen wird die Nennfrequenz ω = ω0 = 2π 50 rad/s verwendet.K = v results in a critical damping. The value is used as default. The structure can be designed to be frequency-adaptive by tracking the network frequency ω from the phase-locked loop (PLL). In embodiments, the nominal frequency ω = ω 0 =
In den Referenzen [4] und [8] wird die beschriebene Struktur verwendet, um Netzfehler zu detektieren. Dabei werden zwei SOGI-Bandpässe zu einer DSOGI-Struktur (= Dual Second Order Generalized Integrators, doppelt verallgemeinerter Integrator zweiter Ordnung) verbunden. Mithilfe der DSOGI-Struktur können positive und negative Sequenzen der Netzspannung gebildet werden. Pro Sequenz wird dann eine dq-Transformation durchgeführt, deren Komponenten dann als Indikatorspannungen (ud, uq) agieren.In references [4] and [8], the described structure is used to detect network errors. Two SOGI bandpasses are combined to form a DSOGI structure (dual second order generalized integrators, double-generalized second-order integrator). By means of the DSOGI structure, positive and negative sequences of the mains voltage can be formed. For each sequence, a dq transformation is then carried out, the components of which then act as indicator voltages (u d , u q ).
Die d-Komponente der positiven Sequenz zeigt einen symmetrischen Fehler an. Die d-Komponente der negativen Sequenz weist auf einen unsymmetrischen Fehler hin. Die beiden Spannungen können über Schwellwertvergleiche ausgewertet werden.The d component of the positive sequence indicates a symmetric error. The d-component of the negative sequence indicates an unbalanced error. The two voltages can be evaluated via threshold comparisons.
Das DSOGI-Verfahren basiert auf der Aufspaltung der Netzspannung in symmetrische Komponenten. Jeweils für positive und negative Sequenzen wird dann eine dq-Transformation durchgeführt, deren 4 Komponenten (d+, d–, q+, q–) überwacht werden. Basis des Verfahrens bilden sogenannte Verallgemeinerte Integratoren (SOGI). Diese Struktur kann für viele Zwecke verwendet werden, z. B. zur Zerlegung von unsymmetrischen Signalen in symmetrische Komponenten, als Phasenregelschleife (PLL) oder auch zur Netzstromregelung. Die Struktur des SOGI ist weiterhin hervorragend zur Erzeugung orthogonaler Signale geeignet (siehe Referenz [4] und Referenz [5]) und wird auch in Ausführungsbeispielen der Erfindung genutzt.The DSOGI method is based on the splitting of the mains voltage into symmetrical components. In each case for positive and negative sequences, a dq transformation is carried out, the 4 components (d +, d-, q +, q-) are monitored. Basis of the method are so-called generalized integrators (SOGI). This structure can be used for many purposes, e.g. As for the decomposition of unbalanced signals into symmetrical components, as a phase-locked loop (PLL) or for power control. The structure of the SOGI is also excellent for generating orthogonal signals (see reference [4] and reference [5]) and is also used in embodiments of the invention.
Das dq-Verfahren ist im Vergleich zu den vorhergehend genannten einfacher aufgebaut. Dabei findet für symmetrische Fehler eine extrem schnelle Erkennung statt. Dies liegt daran, dass die Berechnung der dq-Komponenten zunächst rein algebraisch erfolgt und der Netzwinkel sowie die Netzfrequenz aus der Phasenregelschleife (PLL) im ersten Moment konstant bleiben.The dq method is simpler compared to the previous ones. Thereby an extremely fast detection takes place for symmetrical errors. This is due to the fact that the computation of the dq components initially occurs purely algebraically and the network angle and the network frequency from the phase-locked loop (PLL) remain constant at first.
Wie in
Das sdq-Verfahren ermöglicht in Ausführungsbeispielen eine extrem schnelle Fehlererkennung. Die Funktionsfähigkeit des Verfahrens wurde in Simulationen und in Labormessungen für verschiedene Fehlerarten validiert, wobei positive Eigenschaften gezeigt werden konnten. Durch einen Verzicht auf eine Sequenztrennung in symmetrische Komponenten, kann im Vergleich zu bekannten Verfahren eine Erhöhung der Dynamik erzielt werden. In Ausführungsbeispielen kann auf eine Hardwarebeschaltung für Sicherheitskreis-Überstrom bei Netzfehlern verzichtet werden.The sdq method allows in embodiments an extremely fast error detection. The functionality of the method was validated in simulations and in laboratory measurements for different types of defects, whereby positive properties could be shown. By dispensing with sequence separation into symmetrical components, an increase in dynamics can be achieved in comparison with known methods. In embodiments, a hardware circuit for safety circuit overcurrent in case of network errors can be dispensed with.
Das Konzept kann grundsätzlich in allen Stromrichtern verwendet werden, die an ein elektrisches Netz angeschlossen sind. Dazu gehört nicht nur ein Verbundnetz, sondern auch Inselnetze, wie bspw. USV, etc. Dazu gehören vor allem:
- • Windkraftanlagen
- • Solarwechselrichter
- • BHKWs
- • Batteriestromrichter
- • Wind turbines
- • solar inverter
- • CHPs
- • Battery inverter
Die Netzfrequenz von 50 Hz ist in Ausführungsbeispielen beispielhaft angenommen. Andere Netzfrequenzen sind mit den beschriebenen Verfahren, wie mit dem sdq-Verfahren abgedeckt.The mains frequency of 50 Hz is assumed by way of example in exemplary embodiments. Other line frequencies are covered by the described methods, such as the sdq method.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als entsprechender Verfahrensschritt oder als Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können unter Verwendung eines Hardware-Apparats, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, einem programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device. Some or all of the method steps may be performed using a hardware device, such as a microprocessor , a programmable computer or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BIu-ray Disk, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. The implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a BIu-ray disk, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk, or other magnetic disk or optical memory are stored on the electronically readable control signals that are connected to a programmable computer system can cooperate or cooperate in such a way that the respective procedure is carried out. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.Thus, some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.The program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.Other embodiments include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind üblicherweise greifbar bzw. nicht-flüchtig.In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer. The data medium, the digital storage medium or the recorded medium are usually tangible or non-volatile.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.A further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das dazu konfiguriert ist, ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren an einen Empfänger zu übertragen, Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms an den Empfänger umfassen.Another embodiment according to the invention comprises a device or system configured to transmit a computer program for performing at least one of the methods described herein to a receiver. The transmission may be, for example, electronic or optical. The receiver may be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device. For example, the device or system may include a file server for transmitting the computer program to the receiver.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray (ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder eine für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.In some embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array (an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein.) In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed by any hardware device, such as a general purpose hardware such as a computer processor (CPU), or hardware specific to the method, such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Vorrichtung zur FehlererkennungDevice for error detection
- 1212
- dq-Transformationseinrichtungdq transformation means
- 1414
- Auswerteeinheitevaluation
- 1616
- Phasenverzögererretarders
- 1818
- Clarke-Transformations-EinrichtungClarke transformation means
- 2020
- PhasenregelschleifePhase-locked loop
- 2222
- SignalverzögererSignalverzögerer
- AA
- Phase APhase A
- BB
- Phase BPhase B
- CC
- Phase CPhase C
- SRASRA
- Eingangssignal (Ur) der Phase AInput signal (Ur) of phase A
- SRBSRB
- Eingangssignal (Ur) der Phase BInput signal (Ur) of phase B
- SRCSRC
- Eingangssignal (Ur) der Phase CInput signal (Ur) of phase C
- SIASIA
- verzögertes Signal (Ui) der Phase Adelayed signal (Ui) of phase A
- SIBSIB
- verzögertes Signal (Ui) der Phase Bdelayed signal (Ui) of phase B
- SICSIC
- verzögertes Signal (Ui) der Phase Cdelayed signal (Ui) of phase C
- Si1Si1
- Sinussignalsinewave
- Si2Si2
- Sinussignal mit 120° VerzögerungSine signal with 120 ° delay
- Si3Si3
- Sinussignal mit 240° VerzögerungSine signal with 240 ° delay
- Co1Co1
- Cosinussignalcosine
- Co2Co2
- Cosinussignal mit 120° VerzögerungCosine signal with 120 ° delay
- Co3Co3
- Cosinussignal mit 240° VerzögerungCosine signal with 240 ° delay
- SQASQA
- Q-Komponente (Uq) der Phase AQ component (Uq) of phase A
- SQBSQR
- Q-Komponente (Uq) der Phase BQ component (Uq) of phase B
- SQCSQC
- Q- Komponente (Uq) der Phase CQ component (Uq) of phase C
- ABFROM
- αβ-Komponenten-Signalαβ-component signal
- FSFS
- Fehlersignalerror signal
Referenzenreferences
- [1] BDEW, Technische Richtlinie: „Erzeugungsanlagen am Mittelspannungsnetz”, 2008 URL: http://www.bdew.de/internet.nsf/id/DE_NetzCodes-und-Richtlinien[1] BDEW, Technical Guideline: "Generation Plants on Medium-Voltage Grid", 2008 URL: http://www.bdew.de/internet.nsf/id/DE_NetzCodes-und-Richtlinien
- [2] VDE-Anwendungsregel ”VDE-AR-N 4105:2011-08 Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz, Technische Mindestanforderungen für Anschluss und Parallelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz”, 2011 URL: http://www.bdew.de/internet.nsf/id/DE_NetzCodes-und-Richtlinien[2] VDE application regulation "VDE-AR-N 4105: 2011-08 Generation plants on the low-voltage network, Minimum technical requirements for connection and parallel operation of generation plants in the low-voltage network", 2011 URL: http://www.bdew.de/internet.nsf/ id / DE_NetzCodes and guidelines
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