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"Schaltungsanordnung für parallelbetriebene Wechselrichtert' Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Paar oder eine gerade Anzahl
von Paaren paralielbetriebener Wechselrichter einer Stronversorgungsanlage mit gemeinsamem
Verbraucher, bei der die Wechselrichter mittels einzeln zugeordneter und gegenseitig
beeinflußter Frequenzgeber oder mittels eines gemeinsamen Frequenzgebers auf Gleichlauf
gesteuert sind.
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Eine derartige Schaltungsanordnung mit mehreren parallelbetriebenen
Wechselrichtern und mit einem diesen Wechselrichtern gemeinsamen Synchronisieroszillator
ist durch "Energie und Technik" 23 (1971), S. 61-64 bekannt. Es sind bei dieser
Schaltungsanordnung alle Wechselrichter zentral gesteuert und daher sind entsprechend
viele für die Steuerung der Wechselrichter geeignete Verstärkungseinrichtungen vorzusehen.
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Ferner ist durch die D-PS 1 463 336 eine Schaltungsanordnung der eingangs
beschriebenen Art mit zwei durch gegenseitige Gleichlaufregelung und Angleichung
der Steuerspannungen
parallelbetriebenen Wechselrichtern oder Wechselrichterkomplexen
bekannt. Hierbei werden an gleichwertigen Steuereingängen dieser Wechselrichter
die Phasenlagen von Steuerspannungen mittels zweier Phasenvergleichseinheiten miteinander
verglichen und in Abhängigkeit von Abweichungen der Phasenlagen durch zwei den Wechselrichtern
einzeln zugeordnete Spannungsregler die Phasenlagen der Steuerspannungen aneinander
angleichend verstellt. Für die Anwendung dieses Verfahrens sind die Steuerungseinrichtungen
insgesamt und nicht nur die Frequenz- oder Taktgeber der parallelbetriebenen Wechselrichter
einer Stromversorgungsanlage entsprechend auszubilden.
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Nach einem hieraus entwickelten Steuerungsverfahren für mehrere parallelbetriebene
Wechselrichter werden die Steuerspannungen jeweils in der Phasenlage an eine Vergleichs
spannung mit einer in Bezug auf die Steuerspannungen "mittleren" Phasenlage herangezogen,
welche Vergleichsspannung durch die Steuerspannungen der parallelbetriebenen Wechselrichter
insgesamt selbstgebildet wird und als Sollgröße einer Gleichlaufregelung auf einer
Steuerungssammelschiene dargestellt wird. (DX-OS 2 231 152). Der Aufwand der Mittel
für dieses Steuerungsverfahren ist nicht verringerbar, dieser nimmt aber nur linear
mit der Anzahl der parallelbetriebenen Wechselrichter zu, was als vorteilhaft angesehen
wird.
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Nah dem gleichen Prinzip läßt sich bei mehreren Wechselrichtern im
Parallelbetrieb eine Überwachung der Phasenlagen der Steuerspannungen einrichten,
wofür für die durch die Steuerspannungen gebildete Sollgröße eine gesonderte Sammelschiene
vorgesehen werden muß. Es wird durch diese Überwachung jede unerwünscht große Phasenabweichung
eines Wechselrichters erkannt und sodann die Heraus schaltung des betreffenden Wechselrichters
aus dem Parallelverbund bewirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
einer Wechselstromversorgungsanlage mit mehreren Wechselrichtern und mit gemeinsamem
Verbraucher anzugeben, bei der wie eingangs beschrieben, die Wechselrichter mittels
einzeln zugeordneter und gegenseitig beeinflußter Frequenzgeber oder mittels eines
gemeinsamen Frequenzgebers auf Gleichlauf gesteuert sind, jedoch ohne Verwendung
zusätzlicher Steuerungs- und Regelungseinrichtungen zur Leistungserhöhung parallelschaltbar
sind.
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Gemäß der Erfindung besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß bei
einem Paar oder einer geraden Anzahl Paare Wechselrichter gleichphasige Ausgänge
von äe zwei Wechselrichtern über jeweils einen Spartransformator mit Mittenabgang
miteinander verbunden sind und ebenso die Mittenabgänge gleichphasiger Spartransformatoren
von derart zusammengefaßten Wechselrichtern wiederum paarweise über Spartransformatoren
mit Mittenabgängen zusammengefaßt sind und daß die Mittenabgänge der letzten Zusammenfassung
mit den Verbraucherphasen verbunden sind und daß bei einer ungeraden Anzahl parallelbetriebener
Wechselrichter gleichphasige Ausgänge des unpaarigen Wechselrichters und bei einer
ungeraden Anzahl von mehr als zwei Paaren Wechselrichter die Mittenabgänge der Spartransformatoren,
über welche gleichphasige Ausgänge des unpaarigen Wechselrichterpaares miteinander
verbunden sind, über jeweils einen Spartransformator mit einem die Transformatorwicklung
im Reziprokverhältnis zur gewünschten Stromaufteilung teilenden Verbraucherabgang
mit den Mittenabgängen der die übrigen Wechselrichter zusammenfassenden phasengleichen
Spartransformatoren verbunden sind und daß die Mittenabgänge der letzten Zusammenfassung
mit den Verbraucherphasen verbunden sind.
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Bei einer Wechselstromversorgungsanlage mit mehreren parallelbetriebenen
Wechselrichtern und einer Umgehungsschaltung zur Stromversorgung des Verbrauchers
aus einem Wechselstromnetz bei Ausfall eines Wechselrichters, welche Wechselschaltglieder
enthält, ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung je ein Wechselschaltglied in
den Verbraucherphasenabgängen der den parallelbetriebenen Wechselrichtern gemeinsam
zugeordneten Spartransformatoren angeordnet oder es ist gemäß einer anderen Ausgestaltung
der Erfindung je ein Wechselschaltglied bei den Phasenausgängen der parallelbetriebenen
Wechselrichter angeordnet und je einem Wechselrichter gesondert zugeordnet und es
sind die Wechselschaltglieder eines Wechselrichters gleichzeitig schaltbar.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist, um zu verhindern,
daß bei Störung oder bei Ausfall eines Wechselrichters größere Unterschiede in den
Phasenlagen der Wechselrichter auftreten und die Spannung an den Spartransformatoren
unerwünscht stark ansteigt, den Spartransformatoren jeweils ein unerwünschte Spannungsanstiege
registrierendes und die Abschaltung des Spannungsanstieg verursachenden Wechselrichters
wie auch Betätigung der Umgehungsschaltung bewirkendes Meßglied sowie bedarfsweise
ferner ein Xurzschließer parallelgeschaltet und es sind jeweils die mit einem abgeschalteten
Wechselrichter verbundenen Spartransformatoren kurzschließbar, oder es ist den Spartransformatoren
jeweils ein Spannungsbegrazer parallelgeschaltet oder diese selbst sind spannungsbegrenzend
ausgeführt.
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Es wird ein Vorteil der Erfindung darin gesehen, daß eine erindungsgemäß
ausgeführte Stromversorgungsanlage mit noch mehr Wechselrichtern als vorhanden ausgebaut
werden kann, ohne daß die Steuerungs- und Regeleinrichtungen grundlegend geändert
werden müssen. Alle beteiligten Wechselrichter unter sich gleichrangig und können
durch einfache Maßnahmen auch auf Einzelbetrieb umgeschaltet werden.
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In der Zeichnung sind einfache Ausführungsbeispiele als Varianten
der Erfindung dargestellt, die nachstehend beschrieben werden. Es zeigt: Fig. 1
eine Wechselstromversorgungsanlage mit zwei parallelbetriebenen DS-Wechselrichtern
Fig. 2 eine Wechselstromversorgungsanlage mit drei parallelbetriebenen DS-Wechselrichtern
Fig. 3 eine Wechselstromversorgungsanlage mit vier parallelbetriebenen Einphasen-Wechselrichtern
Fig. 4 eine Wechselstromversorgungsanlage mit sechs parallelbetriebenen Einphasen-Wechselrichtern
Fig. 5 und 6 äe eine Anlage nach Fig. 1 mit einer Umgehungsschaltung, wobei eine
Schutz- und Überwachungseinrichtung mit dargestellt ist.
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Bei einer Anlage nach Fig. 1 sind die gleichphasigen Ausgänge R1,
R2; S1' S2 und T1, T2 der zwei Wechselrichter 1 und 2 äeweils über einen Spartransformator
TH, , TS und TT miteinander verbunden, welche Transformatoren insgesamt drei Nittenabgänge
R, S, g aufweisen, die zu den drei Phasen eines Verbrauchers L führen. Diese über
die Transformatoren TH, T5, TT parallelbetriebenen Wechselrichter sind gleichstromseitig
in Parallelschaltung an einem gemeinsamen Gleichstromnetz N oder sonst an einer
Gleichstromquelle angeschlossen.
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In der Fig. 1 wie auch in den weiteren Figuren 2 bis 6 ist durch Wirkungslinien
St angedeutet, daß die beteiligten Wechselrichter gemeinsam durch miteinander gekuppelte
Frequenzgeber gesteuert sein sollen. Bei der dargestellten Anordnung der Spartransformatoren
wird, wenn die gleichphasigen Ausgangsspannungen der zwei Wechselrichter in den
Phasenlagen geringfügig voneinander abweichen, ein Phasenlagenausgleich bei den
Verbraucherphasenspannungen durch die Spartransformatoren in der Weise erzielt,
daß diese Phasenspannungen die mittleren Phasenlagen å jeweils in Bezug auf die
gleichphasigen zwei Ausgangsspannungen einnehmen. Die
Spartransformatoren
bewirken, daß sich der Belastungsstrom gleichmäßig reziprok zum Windungszahlverhältnis
auf die Wechselrichter verteilt.
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Bei einer Anlage nach Fig. 2 mit drei gleichen Wechselrichtern wird
bei den Spannungen der Verbraucherphasen R, S, T ein Phasenlagenausgleich dadurch
geschaffen und Parallelbetrieb der Wechselrichter ermöglicht, daß an den Ausgängen
von zwei Wechselrichtern 1 und 2 drei Spartransformatoren TR, T5, TT gemäß Fig.
1 und wie oben beschrieben angeordnet sind, daß hingegen die drei Phasenausgänge
R3, S3, 23 des dritten Wechselrichters 3 mit den Nittenabgängen der gleichphasigen
Spartransformatoren TH, T5, TT jeweils über einen Spartransformator m ,dessen Abgang
H bzw. S bzw. 2 H' T51, T diese Trafowicklung im Verhältnis 2:1 teilt und zu der
gleichnamigen Phase eines Verbrauchers L fuhrt, verbunden sind. Es ist ersichtlich,
daß die Spartransformatoren TRX T'S, T'T den Belastungsstrom ungleichmäßig und zwar
im Verhältnis zwei Drittel zu ein Drittel aufteilen müssen, wobei ein Drittel auf
den unpaarigen Wechselrichter 3 entfällt und zwei Drittel auf das Wechselrichterpaar
1 und 2 entfallen muß. Der Abgriff liegt daher bei einem Windungszahlverhältnis
2:1. Zwei Drittel des Laststromes werden durch die Spartransformatoren TH, 1111
gleichmäßig auf die Wechselrichter 1 und 2 verteilt, diese Spartransformatoren weisen
daher einen Mittenabgriff (Windungszahlverhältnis 1:1) auf.
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Hierdurch wird bei den Verbraucherspannungen ein Phasenlagenausgleich
in der gleichen Weise wie bei der Anlage nach Fig. 1 erzielt. Bei einer Anlage für
den Parallelbetrieb von drei DS-Wechselrichtern können auch drei Spartransformatoren
den zwei Wechselrichtern 1 und 2 und drei Spartransformatoren den zwei Wechselrichtern
2 und 3 ausgangsseitig zugeordnet werden und die Nittenabgänge der die gleichphasigen
Ausgänge der Wechselrichter 1 und 2 sowie dr Wechselrichter 2 und 3 verbindenden
Spartransformatoren über äeweils
weiteren Spartransformator miteinander
verbunden sein, dessen Mittenabgang zu je einer Verbraucherphase geführt ist.
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Insgesamt sind dies neun Spartransformatoren, die alle mit Mittenabgang,
jedoch mit unterschiedlicher leistung ausgeführt sind.
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Eine entsprechende Anordnung mit neun Spartransformatoren genügt auch
bei einer Anlage für den Parallelbetrieb von vier DS-Wechselrichtern mit dem Unterschied,
daß Je drei Spartransformatoren zwei Wechselrichterpaaren ausgangsseitig zugeordnet
sind und drei weitere Spartransformatoren die beiden Paare zusammenfassen. Die Fig.
3 stellt eine Anlage für den Parallelbetrieb von vier Einphasen-Wechselrichtern
1, 2, 3 und 4 mit insgesamt drei Spartransformatoren T, T' und 2" dar, die wie vorausgehend
beschrieben angeordnet sind.
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Bei einer Anlage nach Fig. 4 mit sechs Wechselrichtern 1, 2, 3, 4,
5 und 6 bilden die Wechselrichter 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6 drei Paare. Die Anordnung
der Spartransformatoren ist hier eine Kombination von Anordnungen nach Fig. 2'und
Fig. 3, die der Anzahl der Wechselrichter entsprechend ausgebildet sind. Es ist
ein Spartransformator 2" wie in Fig. 3 den zwei Wechselrichterpaaren 1, 2 und 3,
4 gemeinsam zugeordnet und dieser entspricht einem von den Spartransformatoren TH,
T5, TT der Anlage nach Fig. 2. Dieser wie auch der Transformator T" nach Fig. 3
ist leistungsmäßig zweimal so groß als die Transformatoren T, ' ausgeführt. Die
Ausgänge des unpaarigen dritten Wechselrichterpaares 5, 6 sind über einen vierten
Spartransformator T"' von der gleichen leistungsgröße wie T und T' miteinander verbunden.
Die Mittenabgänge der Spartransformatoren " und T"' sind über einen in Bezug auf
T" 3:2 größeren fünften Spartransformator T"" miteinander verbunden, dessen Verbraucherabgang
die Transformatorwicklung im Verhältnis 2:1 teilt. Dieser Spartransformator
entspricht
einem von den Spartransformatoren TSs T51, Tg der Anlage nach Fig. 2.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 an einfachen
Beispielen noch zwei Ausführungsformen der Erfindung bei Anlagen mit parallelbetriebenen
Wechselrichtern und einer Umgehungsschaltung zur ersatzweisen Stromversorgung des
Verbrauchers L aus einem Wechselstromnetz N', falls die Wechselrichter auch nur
teilweise ausgefallen sind, beschrieben. Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils eine
Anlage mit zwei DS-Wechselrichtern nach Fig. 1. Hierbei sind die Umgehungsschaltungen,
die Wechsel- oder Umschaltglieder bekannter Art enthalten, unterschiedlich ausgeführt.
Nach Fig. 5 sind insgesamt drei Wechselschaltglieder SR SS und ST in den drei Verbraucherphasenabgängen
R, S, g der den Wechselrichtern 1 und 2 gemeinsam zugeordneten Spartransformatoren
TR, T5 und TT an geordnet. Bei Ausfall eines Wechselrichters werden diese Schaltglieder
in hier nicht näher beschriebener Weise aus der gezeichneten Schaltstellung auf
Stromversorgung des Verbrauchers L aus dem Netz N' umgeschaltet und können ebenso
auch in die gezeichnete Schaltstellung zurückstellbar nach Wiederherstellung der
Betriebsfähigkeit der Wechselrichter ausgeführt werden.
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Nach Fig. 6 sind insgesamt sechs Wechselschaltglieder S1R, S1s, S1
und S2R' S2S 52T in der Umgehungsschaltung enthalten, von denen je ein Wechselschaltglied
in den Phasenausgängen R1, S17 T1 und R2, S2, T2 angeordnet, je einem Wechselrichter
also gesondert zugeordnei. Es werden auch diese Schaltglieder schon bei Ausfall
eines Wechselrichters aus der gezeichneten in die Schalt stellung zur Stromversorgung
des Verbrauchers L aus dem Netz N' umgeschaltet und zwar in der Regel alle gleichzeitig.
Die Schaltglieder können, wie oben erwähnt, nach Wiedereinschalten der Wechselrichter
automatisch auf Stromversorgung des Verbrauchers aus den
Wechse
lrichtern zurückgestellt werden.
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Die Anlagen der Fig. 5 und 6 sind ferner wie ersichtlich mit einer
Schutz- und Überwachungseinrichtung versehen.
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Diese besteht darin, daß den Spartransformatoren TR, T5 und TT Jeweils
ein Spannungsneßglied MR, MS und NT, ein Kurzschließer oder Überbrückungsschütz
KR, KS und KT sowie wahlweise ein Spannungsbegrenzer BR, BS und BT parallelgeschaltet
sind. Es sind der Übersichtlichkeit halber nur die Elemente MT, BT und KT bei TT
in den Figuren 5 und 6 eingezeichnet. Mit Hilfeder Spannungsmeßglieder werden unerwünscht
starke Anstiege der Transformatorspannungen erfaßt, die bei unzulässig großen Phasenlagenunterschieden
der Wechselrichter z. B. infolge einer Störung oder infolge Ausfallens eines Wechselrichters
auftreten. Diese Spannungsmeßglieder bilden, wenn immer die Spannung an einem Spartransformator
unerwünscht stark ansteigt, Störungssignale, die zur Abschaltung der Wechselrichter
oder, wie in den Figuren 5 und 6 angedeutet, zur Umstellung der Wechselschaltglieder
in die Schaltstellung, bei der der Verbraucher aus dem Netz N' stromversorgt wird,
verwendbar sind.
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Die erwähnten Kurzschließer sind nur dann notwendig, wenn die installierte
Wechselrichterleistung insgesamt höher als die Verbraucherleistung ist, insbesondere
bei redundanten Anlagen. In diesem Falle müssen die an einen abgeschalteten Wechselrichter
angeschlossenen Spartransformatoren zwecks Vermeidung von Spannungsabfällen überbrückt
werden. Die zugeordneten Kurzschließer können ebenfalls mittels der Störungssignale
betätigt werden.
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Die oben ferner erwähnten Spannungsbegrenzer BR, BS und BT sind so
ausgeführt, daß sie bei einer Spannungsabfallhöhe wirksam werden, die wenigstens
so hoch bemessen ist, daß die Spannungsmeßglieder MR, MS und Mg noch beim Auftreten
unerwünscht
starker Spannungsanstiege ausreichend starke Störungssignale erzeugen können.
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Die Spartransformatoren sind aberauch selbst spannungsbegrenzend ausführbar
durch Verwendung von Kernblechen, welche oberhalb der Nennspannung ein starkes Ansteigen
des Nagnetisierungsstromes bewirken. Die erwähnten Spannungsbegrenzer können dann
weggelassen werden.