DE3242993A1

DE3242993A1 - Reglereinrichtung fuer die leistungssteuerung von parallelbetriebenen wechselrichtern und zur ueberwachung der leistungssteuerung

Info

Publication number: DE3242993A1
Application number: DE19823242993
Authority: DE
Inventors: Albert Becker; Reinhold Stumpf; Erwin Voellmeke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-11-20
Filing date: 1982-11-20
Publication date: 1984-05-24
Also published as: GB2131210A; FR2536599A1; DE3242993C2; GB8330023D0

Description

Lic Ent ia Pat en t-V/erwaltung β-GmbH
Theodor-Stern-Kai 1
D-60DD Frankfurt 7D

F B2/35

1D Reglereinrichtung für die Leistungssteuerung van parallelbetriebenen Wechselrichtern und zur Überwachung der Leistungssteuerung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reglereinrichtung für die Leistungssteuerung von zwei oder mehr auf eine Lastsammelschiene parallelarbeitende Wechselrichter mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen, nämlich mit einer Gruppe erster und einer Gruppe zweiter Regelkreise, die voneinander unabhängig sind, jedem Wechselrichter ist zugeordnet ein erster Regelkreis mit einem Phasenvergleicher zur Phasenlagenregelung der Ausgangsspannung des zugeordneten Wechselrichters auf eine für die parallelarbeitenden Wechselrichter gleiche Phasenlage, und ein zweiter Regelkreis mit einem Soll-Istwert-Vergleicher und einem Mittel zur Erfassung des Istwertes der abgegebenen Leistung des zugeordneten Wechselrichters zur Leistungssteuerung.

3G Bei Reglereinrichtungen der eingangs angegebenen Art für Stromversorgungsanlagen mit mehreren, mindestens zwei, parallelbetriebenen Wechselrichtern sind die genannten Gruppen mit ersten und mit zweiten Regelkreisen in dem Sinne unabhängig voneinander, als diese ohne gegenseitige Beeinflussung wirksam sein müssen.

Reglereinrichtungen mit nur ersten Regelkreisen sind bekannt, beispielsweise durch DE-AS 22 31 152. Diese arbeiten

mit Phasenlagenvergleichern, wobei die Ist-Phasenlage eines jeden der hier parallelzuschaltenden Wechselrichter mit einer "mittleren" Phasenlage der übrigen parallelgeschalteten Wechselrichter verglichen uiird, die als SaIl-Phasenlage auf einer Sammelschiene für die Phasenlagen dieser Wechselrichter dargestellt wird.

Der bekannten Reglereinrichtung ist eine Einrichtung für die Überwachung der Phasenlagen der parallelgeschalteten Wechselrichter zugeordnet mit einer Erfassung von Phasenabweichungen und einer gesonderten Überwachungs-Sammelschiene.

Bekannt sind auch Einrichtungen für die Leistungssteuerung parallelgeschalteter Wechselrichter mit den erwähnten, zur Phasenlagenregelung notwendigen ersten Regelkreisen und mit Steuerungs- und/Oder Regelungsmitteln für einen Parallelbetrieb jeweils bei gleicher Belastung der einzelnen Wechselrichter. Als Steuerungsmittel dafür sind zum Beispiel Stromteilerdrosseln (DE-DS 2k 21 125) oder ein Strom-

2D teilertransformator mit Mehrschenkelkern (DE-AS 28 k3 BB6) verwendet, die in den Leistungsstromkreisen der Wechselrichter angeordnet sind. Durch ihr Gewicht und Volumen sind diese Steuerungsmittel,insbesondere für Drehstromwechselrichter, ziemlich aufwendig und daher gerätetechnisch nicht vorteilhaft.

Bekannt als Regelungsmittel für die Erzielung einer jeweils gleichen Aussteuerung beim Leistungsbetrieb parallelarbeitender Wechselrichter sind Leistungsregler 3D (DE-AS 22 31 152), mit Meßumformern und dergleichen zumeist aufwendigen Regelkreiskomponenten.

Durch die DE-DS 29 11 3*+2 schließlich ist eine Reglereinrichtung für Leistungssteuerung parallelgeschalteter Wechselrichter bekannt, die für Wirkleistungs- und BlindleistungsregElung der einzelnen Wechselrichter ausgestattet * ist, mit einem System mit einer Vielzahl inteidBpendenter Regelkreise.

Die abgegebene Wirkleistung eines Wechselstromgenerator wird allgemein durch das Produkt P = U . I . cos dargestellt, worin mit U und I die Effektivwerte einer sinusförmigen Generatorspannung und eines sinusförmigen Generatorstrames bezeichnet sind und mit die Phasenverschiebung des Generatorstromes gegenüber der Generatorspannung. Erfaßt ujird die Wirkleistung P gewöhnlich mit Hilfe υαη Multiplizierern, die nach dem Stromverteilungs- oder nach dem Time-Division-V/erfahren arbeiten. Dazu werden Kamponenten mit aktiven Bauelementen benutzt, und es sind diese Verfahren schaltungstechnisch und abgleichtechnisch ebenfalls aufwendig.

Durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung wird dieses v/ermieden und eine Reglereinrichtung geschaffen, bei der die Anzahl der Regelkreise für Leistungssteuerung auf die nötige Anzahl, die gleich der Anzahl parallelgeschalteter Wechselrichter ist, beschränkt ist, und diese Regelkreise hauptsächlich passive Bauelemente enthalten, mit der auch eine Leistungssteuerung bei unterschiedlicher Belastung der einzelnen Wechselrichter durchführbar ist.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Reglereinrichtung der eingangs angegebenen Art mit ersten Regelkreisen zur Phasenlagenregelung und zweiten Regelkreisen für die Leistungssteuerung parallelgeschalteter Wechselrichter, ein jeder zweiter Regelkreis einen Einweg-Ringmodulator als Leistungsdetektür enthält mit zwei gleichsinnig ge-3G polten Dioden, die miteinander durch einen Spannungsteiler mit zwei gleichen Widerständen verbunden sind, welche Reihenschaltung an der Sekundärwicklung eines Spannungswandlers angeschlossen ist, dem die Ausgangsspannung des zugeordneten Wechselrichters primärseitig einphasig zugeführt wird, und mit einer den Mittenpunkt der Sekundärwicklung des Spannungswandlers und den Mittenpunkt des Spannungsteilers verbindenden Reihenschaltung der Sekundär-

wicklung eines Stromwandlers, dem primärseitig der Laststrom des Wechselrichters zugeführt wird, und eines als Tiefpaß dienenden Reihen-RC-Gliedes, dessen mit dem Mittenpunkt des Spannungsteilers verbundener Kondensator den Ausgang des Detektors bildet, von dem eine der Wirkleistung proportionale Richtspannung als Istwert der von dem Wechselrichter abgegebenen Wirkleistung abnehmbar ist, und daß der Ausgang, wie an sich bekannt, über einen Widerstand und einen, wenn sich der Wechselrichter im Parallelverbund befindet, geschlo-faenen Schaltkontakt mit einer Steuer-Sammelschiene als Sollwertschiene für die entsprechenden Richtspannungen der mit dem Wechselrichter parallelarbeitenden Wechselrichter verbunden ist, und dem Widerstand der Eingang eines Differenzverstärkers paralleles liegt, über dessen Ausgang die Wirkleistung des Wechselrichters gesteuert wird.

Um den Ringmodulatordioden des Leistungsdetektors ein fehlerarmes Schaltverhalten zu geben und damit den. zeitliehen Verlauf der laststromproportionalen Meßspannung frei von Uerschleifungen zu erhalten, ist entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung nach Anspruch 2 das Amplitudenverhältnis der halben Sekundärspannung des Spannungsuiandlers und der Sekundärspannung des Stromwandlers,

2.5 je nachdem die Sekundärspannung des Spannungswandler rechteckförmig oder sinusförmig ist, größer als die betriebsmäßig maximal auftretende Sekundärspannung des Stromuandlers bzw. mindestens mehrfach höher zu bemessen.

3D Für die Überwachung der Leistungssteuerung, um im Falle einer Überlastung durch Ausgleichsströme oder durch ungleiche Lastaufteilung eine Schutzabschaltung der betreffenden Wechselrichter zu bewirken, ist entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein jeder zweiter Regelkreis der Reglereinrichtung zweifach, und zwar einmal.. für die Leistungssteuerung und einmal für die Überwachung

des Laststromes des zugeordneten Wechselrichters ausgeführt, mit einem den Istwert des Laststromes erfassenden Detektor, einer Überwachungs-Sammelschiene für die Lastströme der parallelbetriebenen Wechselrichter und einem vom Ausgang des Differenzverstärkers abgehenden Signalweg der Steuergröße für die Stromüberwachung, der eine Schwellwertstufε enthält, mit einem die Abschaltung des Wechselrichters beim Überschreiten bewirkenden, eingestellten Schwellwert (Patentanspruch 3). 10

Für manche Anwendungen der Leistungssteuerung parallelbetriebener Wechselrichter uiird eine höhere Regelgeschwindigkeit verlangt. Dafür ist vorgesehen, daß bei einer Reglereinrichtung gemäß der Erfindung nach Anspruch k ein jeder zuieiter Regelkreis einen als Zweiueg-Ringmadulator in Mittelpunktschaltung ausgeführten Leistungsdetektor enthält. Bei diesem sind zwei Einweg-Reihenschaltungen mit je zidei Dioden und zwei Widerständen an der Sekundärwicklung des Spannungswandler gegenparallelgeschaltet.

Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind die Widerstandswerte der Bürden der mehreren Wechselrichtern zugeordneten Stromwandler für eine gewollte Aufteilung der Gesamtlast der Wechselrichter mit unterschiedlichen Lastanteilen umgekehrt proportional den Lastanteilen zu bemessen (Patentanspruch 5).

Durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung ist eine Reglereinrichtung geschaffen, mit der auch für mehrere Wechselrichter, die unterschiedlich belastet werden, die Eesamtbelastung derselben im Parallelbetrieb entsprechend den Leistungen der einzelnen Wechselrichter auf diese verteilt wird, so daß die gemeinsame Sammelschlenenspannung jeweils beim Parallelschalten sowie danach praktisch unverändert bleibt.bzw. ist.

BAD OWGlNAt

Ein Ausführungsbeispiel dEr Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen LeistungsdetektDr in Einweg-Ringmodulatarschaltung,

Fig. 2 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Leistungsdetektars nach Fig. 1,

Fig. 3a einen Teil einer Reglereinrichtung mit Regelkreisen für die Leistungssteuerung parallelbetriebener Wechselrichter und

Fig. 3b zugehörige Stromkreise für die Überwachung der Leistungssteuerung.

In den Diagrammen der Fig. 2 sind Spannungen und Ströme nicht maßstäblich dargestellt.
15

Ein Leistungsdetektar nach Fig. 1 besteht aus einer Reihenschaltung mit zwei gleichsinnig gepolten Halbleiterdioden d, d¹ und zwei gleichen Widerständen r, r¹, die einen ohmschen Spannungsteiler bilden, über welchen die

2ü beiden Dioden miteinander verbunden sind. Sie ist an der Sekundärwicklung eines Spannungswandlers SpW angeschlossen, welchem eine Wechselspannung u primärseitig zugeführt ist. Der Mittenpunkt M der Sekundärwicklung von SpW ist mit dem Mittenpunkt M¹ des Spannungsteilers durch einen Stromzweig verbunden, in welchem die Sekundärwicklung in Parallelschaltung mit der Bürde B eines Stromwandlers StW und ein Reihen-RC-Glied R, C in Reihe geschaltet sind. Der Primärwicklung des Stromwandlers ist ein Wechselstrom i zugeführt aus einem Wechselstromgenerator, von welchem die Wechselspannung u der Primärwicklung von SpW zugeführt ist. Die Schaltung nach Fig. 1, abgesehen von dem RC-Glied, ist im Prinzip ein Ringmodulator, der mit der Reihenschaltung gleichsinnig gepalter Dioden d, d¹ nur einseitig stromleitend ist, mithin als Einweg-Ringmodulator zu bezeichnen ist.

Mit diesem wird, uie aus der Fig. 2 ersichtlich, der halben Sekundärspannung 1/2 u¹ des Spannungswandler, die proportional der Wechselspannung u ist (Diagramm a)), eine dem Wechselstrom i (Diagramm b)) proportionale Wechselspannung u'. jeweils in einer Halbperiode durch die Dioden d, d' aufgeschaltet, während der die Sekundärspannung u¹ für die Dioden d und d¹ in der Durchlaßrichtung gepolt ist. Dadurch besteht, weil in den Durchlaß-Halbperioden die Mittenpunkte M und M' gleichhohe Potentiale haben, am RC-Glied R, C allein die stromproportionale Spannung u¹., deren zeitlicher Verlauf im Diagramm c) der Fig.2 dargestellt ist, jeweils in jeder zweiten Halbperiode von u. Für die Spannung u¹. wirkt das RC-Glied, dessen Mittenpunkt den Ausgang A des Detektors bildet, als Tiefpaß, so daß am Kondensator C der zeitliche Halbperiodenmittelwert von u'. als Ausgangsspannung und Richtspannung U dargestellt wird, die dem Produkt von I und Leistungsfaktor cosü) proportional ist.

2D Leistungsdetektoren nach Fig. 1 sind in den Regelkreisen einer Reglereinrichtung für die Leistungssteuerung parallelbetriebener Wechselrichter, wie beispielsweise bei der in der Fig. 3 gezeigten, als Bestandteil mit der Funktion der Erfassung der von den einzelnen Wechselrichtern abgegebenen Wirkleistung verwendet. Dabei wird der Primärwicklung des Spannungswandlers die Ausgangsspannung u des zugeordneten Wechselrichters WR (n = I, II ...) und der Primärwicklung des Stromwandlers der Leistungsdetektoren D der Laststrom i zugeführt. Unter der Voraussetzung, daß die Ausgangsspannungen der Wechselrichter konstant gehalten sind, können die an den Ausgängen A der Detektoren D gewonnenen Richtspannungen U proportional den von den einzelnen Wechselrichtern abgegebenen Wirkleistungen P angesehen werden, nach der Beziehung U ~ P = K . I . cos(p_n η = I, II ...

worin K für die konstante Ausgangsspannung der Wechselrichter mit der Größendimension einer Spannung steht.

Die Detektoren D einschließlich der Dandier bestehen aus nur passiven Bauelementen und sind ohne Kostenaufwand herzustellen. Als Leistungsdetektoren zur Istwerterfassung der Wirkleistung sowie auch zur Erfassung der Leistungsflußrichtung bei Regelkreisen für Leistungssteuerung sind diese Detektoren vorteilhaft eingesetzt.

In der Fig. 3a ist ein Teil einer Reglereinrichtung für drei auf eine gemeinsame Lastsammeischiene parallelarbei-

^1D tende Wechselrichter U)RI bis ÜJRIII, nämlich der Teil mit zweiten Regelkreisen I bis III dargestellt, in welchen die Leistungsdetektoren mit DI bis DIII bezeichnet sind. Jedem von diesen ist eingangsseitig einmal die Ausgangsspannung Uy und einmal der Laststram i^, zugeführt. Ausgangsseitig werden den Leistungsdetektoren Richtspannungen U^ abgenommen (V = I, II, III), die an je einem Tiefpaß TR^, einem Reihen-RC-Elied, und zwar an dessen Kondensator C gebildet werden, die jeweils als Skalarprodukt der Vektoren Ausgangsspannung und Laststrom eines Wechselrichters, ule eine durch dessen Last bestimmte Phasenabweichung ψ voneinander haben, proportional sind den von den betreffenden Wechselrichtern abgegebenen Wirkleistungen P-,, nach P = K . I . cos«?, worin K eine Konstante und I der Effektivwert des Laststromes eines Wechselrichters bedeuten.

Der Abgriff A vom Kondensator C eines jeden Tiefpasses ist über je einen Widerstand Ro, und ein mechanisches Schaltglied Sch mit einer für die zweiten Regelkreise gemeinsamen Sammelschiene S verbunden, auf der ein bestimmter Wert U¹ vorgegeben ist, der den Mittelwert der Richtspannungen Uy der Detektoren D<y darstellt, welche von den parallelarbeitenden Wechselrichtern über gleiche Verbindungen auf die Sammelschiene geführt sind. Die Klemmen eines jeden"Widerstandes R^ sind mit dem Eingang je eines Differenzverstärkers \}<p mit der Funktion des Soll-Istwert-Uergleichers verbunden. Am Widerstand R«, entsteht bei

Abweichung der Richtspannung U^, von der an der Sammelschiene Ξ vorgegebenen Vergleichsgröße LP die dem Eingang des Verstärkers Vo, zugeführte Differenzgröße LJ^- U' und am Ausgang des Verstärkers ein als Stellgröße für die Aussteuerung des betreffenden Wechselrichters URy verwendetes Regelabweichungssignal s^,. Beim beliebigen Hinzuschalten eines Wechselrichters WR-; in den Parallelverbund van Wechselrichtern wird der zugeordnete SchaltkDntakt Snh^, geschlossen, woraufhin bei einer bestehenden Leistungsabweichung des betreffenden Wechselrichters ein Regelungsvorgang bewirkt wird, bei dem durch die Stellgröße eine Leistungsanpassung des zugeschalteten Wechselrichters in dem Sinne gesteuert wird, daß Ausgleichsströme und ungleiche Lastströme in) zwischen den Wechselrichtern ausgeregelt werden.

In der Fig. 3b sind die Stromkreise I bis III der Fig. 3a in gleicher Weise zusätzlich für die Überwachung der Wirkleistungssteuerung ausgeführt, mit die Lastströme i.y der Wechselrichter WRv> erfassenden Detektoren, Meßstromwandler

2D D,, Widerstände R,, Schaltkontakte Sch, und einer Überwachungs-Sammelschiene S. für die Lastströme i-, (*p = I, II, III). Es zweigt am Ausgang je eines Verstärkers V. ein Signalpfad für die Stromabweichung eines Laststromes ab, der zu einem Schwellwertgeber E.führt, bei dem ein Schwellwert des Laststromes eingestellt ist. Dieser ist so gewählt, daß er durch den im Falle einer großen Stromabweichung des zugeordneten Wechselrichters zunehmenden Laststrom überschritten wird. In diesem Falle wird durch ein Signal des Schwellwertgebers die Abschaltung des Wechselrichters bewirkt. Mit dieser jedem Wechselrichter zugeordneten Maßnahme ist die Einrichtung nach Fig. 3b für eine ständige Überwachung der Leistungssteuerung parallelbetriebener Wechselrichter ausgestattet.

Claims

24 29 93

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH
Theodar-Stern-Kai 1
D-6D00 Frankfurt 70

F 82/35

Reglereinrichtung für die Leistungssteuerung von parallelbetriebenen ülechselrichtern und zur Überwachung der Leistungssteuerung

Patentansprüche

( 1.yReglereinrichtung für die Leistungssteuerung van zwei ader mehr auf eine Lastsammeischiene parallelarbeitenden Wechselrichtern mit voneinander unabhängigen Regelkreisen, jedem Wechselrichter zugeordnet ist ein erster. Regelkreis mit einem Phasenvergleicher zur Phasenlagenregelung der Ausgangsspannung des zugeordneten Wechselrichters auf eine für die parallelarbeitenden Wechselrichter gleiche Phasenlage, und ein zweiter Regelkreis mit einem Soll-Istwert-Vergleicher und einem Mittel zur Erfassung des Istwertes der abgegebenen Leistung des zugeordneten Wechselrichters zur Leistungssteuerung, dadurch gekennzeichnet,
daß ein jeder zweiter Regelkreis (I, II ...) einen Einweg-Ringmodulator in Mittelpunktschaltung als Leistungsrietektor (D₁, D ...) enthält, mit zwei gleichsinnig gepolten Dioden (d, d¹), die miteinander durch einen Spannungsteiler mit zwei gleichen Widerständen (r, r') verbunden sind, welche Reihenschaltung an der Sekundärwicklung eines Spannungswandlers (SpW) angeschlossen ist, dem die Ausgangsspannung (u_) des zugeordneten Wechselrichters (WR ) (n = I, II .....) primär-

seitig einphasig zugeführt wird, und mit einer den Mittenpunkt (M) der Sekundärwicklung des Spannungswandler und den Mittenpunkt (M') des Spannungsteilers verbindenden Reihenschaltung der Sekundärwicklung eines Strommandlers (StIiJ), dem prirnärseitig der Laststrom (i ) des Wechselrichters zugeführt wird, und eines als Tiefpaß (TP) dienenden Reihen-RC-Gliedes, dessen mit dem Mittenpunkt des Spannungsteilers verbundener Kondensator (C) den Ausgang (A) des Detektors bildet, von dem eine der Wirkleistung (P) proportionale Richtspannung (LJ) als Istwert der von dem Wechselrichter abgegebenen Wirkleistung abnehmbar ist, und daß der Ausgang (A), wie an sich bekannt, über einen Widerstand (R) und einen, wenn sich der Wechselrichter im Parallelverbund befindet, geschlossenen Schaltkontakt (Sch) mit einer Steuer-Sammelschiene (S) als Sollwertschiene für die entsprechenden Richtspannungen der mit dem Wechselrichter parallelarbeitenden Wechselrichter verbunden ist, und dem Widerstand (R) der Eingang eines Differenzverstärkers (VO parallelliegt, über dessen Ausgang die Wirkleistung des Wechselrichters gesteuert wird.

2. Reglereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Amplitudenverhältnis der halben Sekundärspannung (-g- u') des Spannungswandlers (SpW) under der Sekundärspannung (u.) des Stromwandlers (StW), je nachdem die Sekundärspannung (u') des Spannungswandlers rechteckförmig oder sinusförmig ist, größer als die betriebsmäßig maximal auftretende Sekundärspannung des Stromwandlers bzw. mindestens mehrfach höher zu bemessen ist.

3. Reglereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein jeder zweiter Regelkreis (I, II ..-) zweifach, einmal für die Leistungssteuerung und einmal für die Überwachung des Laststromes (i) des zugeordneten Wech-

selrichters (WR₁, WR₁₁ ...) ausgeführt ist, mit einem den Istwert des Laststromes (i) erfassenden Detektor (D. ), einer Überwachungs-Sammelschiene (B, ) für die Lastströme der parallelbetriebenen Wechselrichter und einem vom Ausgang des Differenzverstärkers (U. ) abgehenden Signalweg der Steuergröße für die Stromüberwachung, der eine Schwellwertstufe (G) enthält, mit einem die Abschaltung des Wechselrichters beim Überschreiten bewirkenden, eingestellten Bchuielliuert. 1D

h. Reglereinrichtung nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein jeder zweiter Regelkreis (I, II ...) einen als Zweiweg-Ringmodulator in Mittelpunktschaltung ausgeführten Leistungsdetektcr (D₁, D₁₁ ...) enthält.

5. Reglereinrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Werte der Bürden (B) der mehreren Wechselrichtern zugeordneten Stromwandler (StW) für eine gewollte Aufteilung der Gesamtlast der Wechselrichter mit unterschiedlichen Lastanteilen umgekehrt proportional den Lastanteilen zu bemessen sind.