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t'Schaltungseinrichtung zur gegenseitigen Wirk- und Blindleistungssteuerung
mehrerer parallelbetriebener Wechselrichter" Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinrichtung
zur gegenseitigen Wirk- und Blindleistungssteuerung mehrerer im Parallelbetrieb
arbeitender selbstgeführter Wechselrichter mit jeweils einer Reihendrossel im Ausgang
und mit den Wechselrichtern zugeordneten Steuereinheiten sowie jeweils einer die
Istgrößen der an den Ausgängen der Wechselrichter erfaßten Wirkleistungen miteinander
und jeweils einer die Istgrößen der an den Ausgängen der Wechselrichter erfaßten
Blindleisungen miteinander vergleichenden Einheit, nämlich eine die Phasenlage der
Wechselrichterspannungen mittels der zugeordneten Steuereinheiten in Abhängigkeit
von Abweichungen der Wirkleistungen beeinflussende und eine die Amplituden der Wechselrichterspannungen
mittels eines Spannungsreglers in Abhängigkeit von Abweichungen der Blindleistungen
beeinflussende Vergleichseinheit.
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Die Technik der Wirk- und Blindleistungssteuerung ist durch "Energie
und Technik", Mai 1966, Seite 194-200, vom Parallelbetrieb
von
elektrischen Maschinen her bekannt.
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Bei der Wirk- und Blindleistungssteuerung von zwei parallelbetriebenen
Stromrichtern werden von den Stromrichtern die Größe und die Richtung der Wirk-
und Blindleistungen erfaßt und miteinander verglichen. In Abhängigkeit von der Wirkleistungsdifferenz
dieser Wechselrichter werden die Phasenlagen der Stromrichterspannungen und in Abhängigkeit
von der Blindleistungsdifferenz die Amplituden der Stromrichterspannungen derart
beeinflußt, daß sowohl die abgegebenen VirkleStungen als auch die Blindleistungen
aneinander angeglichen werden (vergleiche Diss. J. Schmidt, "Der spannungsgesteuerte
und selbstgeführte Wechselrichter", Seite 147 und 144, Rheinisch-lVestfälische Decan.
Hochschule Aachen 1973).
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Die Verwendung dieses Steuerverfahrens beim Parallelbetrieb von Stromrichtern
beruht auf den unterschiedlichen Einflüssen der Amplitude und der Phasenlage einer
Stromrichterspannung auf die Größe und Richtung des £eistungsflusses. So hat die
Amplitude der Stromrichterspannung starken Einfluß auf die Größe des Blindstromes,
aber geringen Einfluß auf die Größe des Wirkstromes. Umgekehrt verhält sich der
Einfluß der Phasenlage der Stromrichterspannung auf die betrachtenden Laststromkomponenten.
Eine Darstellung dieser Zusammenhänge vermittelt die vorgenannte Literaturstelle
(vergleiche Seiten 57 und 58) anhand von Ortskurven der Spannung und des Stromes
bei einem gesteuerten Stromrichter an einem Netz konstanter Spannung.
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Es ist von dem eingangs erwähnten und vorangehend beschriebenen Steuer-
und zugleich auch flberwachungsverfahren zu unterscheiden ein bekanntes Steuerverfahren
für den Parallelbetrieb von Wechselrichtern durch gegenseitige Gleichlaufregelung
der Steuerspannungen der beteiligten Wechselrichter.
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Hierbei werden an gleichwertigen Steuereingängen zweier Wechselrichter
die Phasenlagen von Steuerspannungen mittels zweier Phasenvergleichseinheiten verglichen
und in Abhängigkeit von Abweichungen der Phasenlagen mittels zweier den Wechselrichtern
einzeln zugeordneter Spannungsregler aneinander angleichend verstellt (vergleiche
DU-PS 1 463 336 und oben genannten Diss. Seite 145 bis 147).
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Nach einem hieraus entwickelten weiteren Steuerverfahren für den Parallelbetrieb
mehrerer Wechselrichter werden die Steuerspannungen in der Phasenlage nicht aneinander
angeglichen, sondern jeweils an eine Phasenvergleichsspannung herangezogen, welche
nach Art einer "Mittelgröße" von den entsprechenden Steuerspannungen der beteiligten
Wechselrichter selbst gebildet und als Sollgröße der Gleichlaufregelung auf einer
Steuerungssammelschiene dargestellt wird.
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Der Nutzen dieses Steuerungsverfahrens wird darin gesehen, daß der
Aufwand für die Steuerungsmittel mit der Anzahl der parallelbetriebenen Wechselrichter
nur-linear zunimmt und daß der Anzahl der eingesetzten Wechselrichter wirtschaftlich
an sich keine Grenze gesetzt ist. Es läßt sich nach dem gleichen Prinzip, wenn mindestens
drei Wechselrichter eingesetzt werden, auch eine Überwachung der Phasenlagen der
Wechselrichtersteuerspannungen einrichten, wofür für die von den Steuerspannungen
gebildete Sollgröße eine gesonderte Sammelschiene vorgesehen werden muß. Durch diese
Überwachung wird jede unzulässig große Phasenlagenabweichung eines Wechselrichters
erkannt und sodann der betreffende Wechselrichter aus dem Parallelverbund heraus
geschaltet. Bei diesem Parallelbetriebsverfahren ist es erforderlich, daß die Betriebsgleichspannungen
und die Typenleistungen der am Parallelbetrieb beteiligten Wechselrichter übereinstimmen.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, ist folgendermaßen gestellt.
Es soll eine Schaltungseinrichtung zur gegenseitigen Wirk- und Blindleistungssteuerung
mehrerer, das heißt mehr als zwei parallelbetriebener Wechselrichter, unter Verwendung
der bei der eingangs beschriebenen Einrichtung angegebenen Mittel geschaffen werden,
mit welcher die beteiligten Wechselrichter auch mit unterschiedlichen Betriebsgleichspannungen
und unterschiedlichen Typenleistungen bei gleichmäßiger Belastungen miteinander
parallelbetrieben werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Istgrößen
der an den Ausgängen der beteiligten Wechselrichter erfaßten Wirk- und Blindleistungen
jeweils einer den arithmetischen Größenmittelwert der Blindleistungen darstellenden
Recheneinheit zugeführt sind und daß aus diesen Recheneinheiten die zwei arithmetischen
Größenmittelwerte der Wirkleistungen und der Blindleistungen getrennt auf zwei Steuersammelschienen
ubertragen und als Sollgrößen für die Wirk- bzw. die Blindleistungssteuerung der
Wechselrichter mittels der zugeordneten Vergleichseinheiten verwendet sind Um die
gegenseitige Wirk- und Blindleistungssteuerung der parallelbetriebenen Wechselrichter
überwachen zu können, sind gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung den Wechselrichtern
jeweils zwei die Istgrößen der an den Ausgängen der Wechselrichter erfaßten Wirk-
und Blindleistungen und die von den parallelbetriebenen Wechselrichtern insgesamt
gebildeten Sollgrößen vergleichende Vergleichs einheiten zusätzlich einzeln zugeordnet,
mit welchen Vergleichseinheiten Abweichungen der Wirkleistungs- und der Blindleistungs-Istgröße
bei einem Wechselrichter von der entsprechenden Sollgröße, die dem Betrage nach
über eine vorgegebene Grenze
hinausgehen, erfaßbar sind und bei
Bestehen einer solchen Abweichung der betreffende Wechselrichter mittels eines durch
die Ausgänge der zwei Vergleichs einheiten jeweils gemeinsam betätigbaren Schaltgliedes
aus dem Verbund der parallelbetriebenen Wechselrichter herausschaltbar ist.
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Werden die Wechselrichter bei unterschiedlichen Betriebsgleichspannungen
parallelbetrieben und haben diese Wechselrichter auch unterschiedliche Typenleistungen,
so sind einer noch weiteren Ausbildung der Erfindung gemäß die mittels der Recheneinheiten
gebildeten Sollgrößen über jeweils ein diese Sollgrößen an die unterschiedlichen
Typenleistungen der betreffenden Wechselrichter anpassendes Multiplizierglied den
Vergleichseinheiten zugeführt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das im folgenden beschrieben wird.
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Die Zeichnung zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung gemäß der
Erfindung mit drei parallelbetriebenen Einphasen-Wechselrichtern 1, 2, 3, die im
Parallelbetrieb auf eine
Verbraucherschiene Sv arbeiten, mit zugeordneten
Betriebstromanschlüssen 11, 21, 31 und Verbraucherabgängen 12, 22, 32. Die drei
Wechselrichter sind mittels in den zugeordneten Verbraucherabgängen liegender Schaltmittel
S1, S2, S3 in den Parallelverbund hineinschaltbar oder aus dem Verbund heraus schaltbar.
Die Wechselrichter können an voneinander getrennten Betriebs stromquellen mit Betriebs
spannungen Ug1, Ug2, Ug3 oder an einer gemeinsamen Betriebsstronquelle betrieben
sein. Die dargestellte Schaltungseinrichtung enthält ferner Steuerungsmittel, welche
den Wechselrichtern einzeln zugeordnet sind, sowie auch gemeinsame Steuerungsmittel,
die alle nachstehend beschrieben sind. Zur Erläuterung der Steuerungsfunktionen
sind in der Zeichnung gestrichelte Wirkungslinien mit Richtungsangabe eingezeichnet.
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In den Verbraucherabgängen 12, 22, 32 der Wechselrichter sind Stromwandler
13w, 13b; 23w, 23b; 33w, 33b angeordnet, welchen Meßeinheiten 14w, 14b; 24w, 24b;
34w, 34b zur Erfassung der von den zugeordneten Wechselrichtern 1, 2,3 abgegebenen
Wirkleistungen PW1, PW2, Pw3 und Blindleistungen Pbl, Pb2, 2b3 nachgeordnet sind.
An den Verbraucherabgängen liegt jeweils eine Meßleitung 12u, 22u, 32u, womit die
Abgangsspannungen u1, u2, u3 der betreffenden Wechselrichter erfaßt werden und Spannungsreglern
R1, R2, R3 sowie den Leistungsmeßeinheiten, die den Wechselrichtern einzeln zugeordnet
sind, zugeführt werden.
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Die von den Meßeinheiten 14w, 24w, 34w erfaßten Istgrößen der Wirkleistungen
Pw1, PW2, Pw3 der drei Wechselrichter sind einer gemeinsamen Recheneinheit 4w zugefürt,
welche den arithmetischen Größenmittelwert
der erfaßten Wirkleistungs-IstgröBen bildet und aur einer bteuerungssammelschiene
Sw darstellt. Die von den Meßeinheiten 14b,
24b, 34b erfaßten Istgrößen
der Blindleistungen Pb1, Pb2, Pb3 der Wechselrichter sind getrennt von den Wirkleistungs-Istgrößen
einer gemeinsamen Recheneinhe 9t ¾ n angeführt, welche den arithmetischen Größenmittelwert
der erfaßten Blindleistungs-Istgrößen bildet undaut einer Steuerungssammelschiene
Sb darstellt. Es werden diese zwei dargestellten Größenmittelwerte als Sollgrößen
P P für eine geregelte Angleichung der von den Wechselrichtern abgegebenen Wirkleistungen
aneinander sowie auch der abgegebenen Blindleistungen aneinander verwendet und diese
werden wie ersichtlich von den beteiligten Wechselrichtern selbst gebildet.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungseinrichtung
sei angenommen, daß die drei Einphasen-Wechselrichter indirekt gesteuert sind, indem
ein jeder Wechselrichter aus zwei Wechselrichterteilen zusammengesetzt ist, der
erste Wechstrichterteil durch jeweils eine Steuereinheit 01, 02, 03 direkt angesteuert
wird und der zweite Wechselrichterteil durch die gleiche Steuereinheit über jeweils
einen Phasenlagensteller Ph1, Ph2, Ph3, welcher vom Ausgang des zugeordneten Spannungsreglers
R1, R2, R3 her beeinflußt ist, angesteuert wird. Bei derart ausgeführten Wechselrichtern
werden die Abgangsspannungen ul, u2, u3 jeweils durch Vektoraddition der zwei Ausgangsspannungen
der Wechselrichterteile in hier nicht dargestellter Weise gebildet. Jedoch können
die Wechselrichter auch anders, zum Beispiel in Brückenschaltung ausgeführt sein
und dennoch je zwei Steuereingänge aufweisen, Wie immer diese Wechselrichter auch
ausgeführt sein mögen, es sind jeweils die auf der Sammelschiene Sw dargestellte
Sollgröße der Wirkleistung PWSO11 und die mittels 14w, 24w, 34w erfaßten Istgrößen
der Wirkleistungen PW1, Pw2, Pw3 jeweils einer ersten den Wechselrichtern einzeln
zugeordneten Vergleichseinheit Vw1, Vw2, Vw3 zugeführt. Ebenso sind jeweils die
auf der Sammelschiene w3 Sb dargestellte Sollgröße der Blindleistung PbSoll und
die
mittels 14b, 24b, 34b erfaßten Istgrößen der Blindleistungen
Pbl, Pb2, Pbf jeweils einer zweiten den Wechselrichtern einzeln zugeordneten Vergleichseinheit
Yb1 bzw. Vb2 bzw.
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Vb3 zugeführt. Im Wege des Soll-Ist-Vergleiches werden mittels dieser
Vergleichs einheiten die Istgrößen der Wirkleistungen und der Blindleistungen der
Wechselrichter getrennt verglichen mit den auf den Sammelschienen Sw und Sb dargestellten
entsprechenden Sollgrößen, die aus den genannten Istgrößen der Wechselrichter insgesamt
gebildet werden.
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Sind die Betriebsgleichspannungen Ugi und die Typenleistungen von
parallelbetriebenen Wechselrichtern unterschiedlich groß, so werden die Sollgrößen
PwSoll und PbSoll der Wirk-und Blindleistungen bei jedem Wechselrichter noch vor
dem Soll-Istgrößen-Vergleich mittels Multiplizierglieder 5wi, 5b1 in den Verhältnissen
å = 1, 2, 3 ... n verändert und damit den verschiedenen vypenwirk- und Blindleistungen
PWå, Pbj der einzelnen Wechselrichter angepaßt.
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Weicht die Wirkleistung und/oder die Blindleistung eines Wechselrichters
von der entsprechenden Sollgröße auch nur geringfügig ab, dann wird bei dem betreffenden
Wechselrichter die Leistungsabgabe augenblicklich an diese Sollgröße herangeführt
und dieser angeglichen. Dies geschieht bei einer Abweichung der Wirkleistung von
der Sollgröße dadurch, daß der Ausgang der Vergleichseinheit Vw des betreffenden
Wechselrichters auf die Phasenlage der zugeordneten Steuereinheit (Oszillator 0)
direkt im angleichenden Sinne einwirkt, und bei einer Abweichung der Blindleistung
von der Sollgröße dadurch, daß der Ausgang der Vergleichseinheit 7b des betreffenden
Wechselrichters mit dem Vergleichseingang des zugeordneten Spannungsreglers R verbunden
ist und durch Regelung der Wechselrichter-Äbgangsspannung mittels
des
ferner zugeordneten Phasenstellers Ph auf die Amplitude der Abgangs spannung im
ausgleichenden Sinne einwirkt. Deshalb ist bei jedem Wechselrichter der Einrichtung
der Ausgang der Vergleichseinrichtung Vw direkt mit dem Eingang der Steuereinheit
O und der Ausgang der Vergleichseinheit Vb mit den Eingang des Spannungsreglers
R verbunden.
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Die dargestellte Schaltungseinrichtung enthält zusätzlich noch jeweils
zwei den Wechselrichtern 1, 2, 3 zugeordnete Vergleichseinrichtungen Vwi, Vbi (i
= 1, 2, 3), die in der Zeichnung links neben den Vergleichs einheiten Vwi und Vbi
schematisch dargestellt sind. Diese sind zur Überwachung der Wirk- und Blindleistungssteuerung
der parallelbetriebenen Wechselrichter 1, 2, 3 vorgesehen.
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Mittels der Einheiten Vwi werden wieder die Istgrößen der Wirkleistungen
PWi der Wechselrichter mit der Sollgröße PWSO11 verglichen und mittels der Einheiten
Vbi die Istgrößen der Blindleistungen Pbi der IbJechselrichter mit der Sollgröße
PbSoll verglichen, Die Ausgänge dieser je zwei Vergleichseinheiten sind bei jedem
Wechselrichter zusammengeschaltet und es sind die Vergleichseinheiten so ausgeführt,
daß bei Abweichungen der Wirk- und/oder der Blindleistung eines Wechselrichters
von den entsprechenden Sollgrößen, wenn die Abweichungen über eine vorgegebene Grenze
hinausgehen, ein Betätigungssignal am Ausgang der zugeordneten Vergleichseinheiten
Vw und BP erscheint, das die Herw Vb' ausschaltung des betreffenden Wechsirichters
aus dem Parallelverbund mittels des zugeordneten Schaltmittels S des Verbrauderabganges
bewirkt.