DE4402812A1 - Schaltungsanordnung mit parallel betriebenen Wechselrichtern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit parallel betriebenen Wechselrichtern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der Patentschrift DE 28 43 886 C2 bekannt. Diese Schaltungsanordnung weist einen (Stromteiler-)Transformator mit mehreren Schenkeln auf, auf denen - jeweils voneinander getrennt - eine Wicklung aufgebracht ist. Die Wicklungen haben gleiche Windungszahlen und werden jeweils von dem Wechselstrom eines zugehörigen Wechselrichters durchflossen.

Grundsätzlich ist bei derartig parallel betriebenen Wechselrichtern in zweierlei Hinsicht für einen Gleichlauf der Wechselrichter zu sorgen: Zum einen muß für einen Gleichlauf von Frequenz und Phasenlage der von den Wechselrichtern abgegebenen Spannungen gesorgt werden (Frequenzsynchronisation) und zum andern ist eine günstige Lastaufteilung erforderlich, die die Belastbarkeit der eingesetzten Wechselrichter berücksichtigt.

Die Synchronisation wird von einer übergeordneten, separat arbeitenden, elektronischen Phasengleichlaufregelung vorgenommen.

Die bekannte Schaltungsanordnung sorgt für exakte Lastaufteilung auf die Wechselrichter und gleicht dabei außerdem unterschiedliche Spannungsabweichungen der Wechselrichter aus.

Nachteilig ist bei der bekannten Schaltungsanordnung der hohe Aufwand an mehrschenkeligen Wickelgütern und Kurzschlußschaltern. Denkbare elektronische Verfahren zur Lastaufteilung haben den Nachteil hohen elektronischen Aufwandes und erheblicher Kompliziertheit und damit geringerer Sicherheit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige, einfach herstellbare und preiswerte Schaltungsanordnung für im Gleichlauf arbeitende, parallel betriebene Wechselrichter zu schaffen, wobei die Schaltungsanordnung die von den Wechselrichtern abgegebene Leistung regelt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit parallelbetriebenen Wechselrichtern nach Anspruch 1.

Da die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ohne Verzögerungsglieder bzw. zusätzliche Stellerzeitkonstanten auskommt, ist eine besonders schnell wirkende Regelung möglich, bei der sich keine Frequenzbegrenzung für die Regelung ergibt.

Durch geeignete Wahl der Bürdenwiderstände und der Bewertungswiderstände lassen sich auch Wechselrichter unterschiedlicher Belastbarkeit parallel betreiben. Bei der Regelung der Leistungsaufnahme parallel betriebener, nach dem Pulsverfahren arbeitender - insbesondere nach dem freien Pulsverfahren arbeitender - Wechselrichter ist eine Momentanwerterfassung der auftretenden Abweichung des Stromes vom (für die Leistungsaufteilung) günstigsten Wert erforderlich, da ansonsten der Wechselrichter-Regelkreis im Innern des Wechselrichters sehr viel schneller wäre. Dadurch könnten unzulässig hohe Abweichungen auftreten, die durch die erfindungsgemäße, ohne Verzögerungsglieder arbeitende Schaltungsanordnung verhindert werden.

Die erwähnte Abweichung des Stromes muß dem zugehörigen Wechselrichter-Regelkreis zugeführt werden, so daß ein Ausgleich der Ströme stattfindet. Dieser Ausgleich läuft in der Weise ab, daß bei dem Wechselrichter, welcher eine zu große Leistung oder einen zu großen Strom abgibt (in die Last oder in die anderen parallel betriebenen Wechselrichter), die Abgabe des überhöhten Wertes zurückgenommen wird. Im Falle von Wechselrichtern gleicher Belastbarkeit muß der überhöhte Wert für Strom oder Leistung so weit herabgesetzt werden, daß alle Wechselrichter bis auf eine unvermeidliche Restregelabweichung gleiche Ausgangswerte aufweisen.

Bei einem redundanten Parallelbetrieb von mehreren Wechselrichtern gemäß Anspruch 7 werden höchste Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit erfüllt. Bei einem derartigen Parallelbetrieb ist mindestens ein Wechselrichter mehr vorhanden als für die Verbraucher erforderlich ist. Bei Störung eines Wechselrichters kann dieser selektiv ohne zusätzliche Beeinflussung der Verbraucherspannung abgeschaltet werden. Die im Parallelbetrieb weiterarbeitenden Geräte übernehmen die gesamte Verbraucherlast.

Weiter bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand dreier Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben.

Es zeigen

Fig. 1 den Schaltplan für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit drei Wechselrichtern,

Fig. 2 einen Schaltplan mit drei parallel angeordneten Zweigen mit jeweils einer Wechselspannungsquelle und einem ohmschen Widerstand,

Fig. 3 einen Schaltplan eines geregelten Wechselrichters.

Fig. 1 zeigt einen Schaltplan mit drei parallel betriebenen Wechselrichtern (1, 2, 3). Eingangsseitig sind diese Wechselrichter (1, 2, 3) jeweils an eine Einrichtung (Syn), die aus Sicherheitsgründen ohne jegliche zentrale Glieder arbeitet, angeschlossen. Die Einrichtungen (Syn) sind gemeinsam mit einer Synchronisiersammelschiene (SynSS) verbunden. Dadurch wird ein Frequenz- und Phasengleichlauf der ausgangsseitig an den Wechselrichtern (1, 2, 3) anliegenden Wechselspannungen ermöglicht. Ausgangsseitig ist an die drei Wechselrichter (1, 2, 3) jeweils über eine Primärwicklung eines Stromwandlers (5, 6, 7) ein gemeinsamer Verbraucher (8a) angeschlossen. Der Verbraucher (8a) liegt mit seinem einen Ende an den drei Primärwicklungen und mit seinem anderen Ende auf Leistungs-Grundpotential.

Parallel an die Sekundärseite eines jeden der drei Stromwandler (5, 6, 7) ist jeweils ein Bürdenwiderstand (8, 9, 10) geschaltet.

Die Bürdenwiderstände (8, 9, 10) sind mit ihrem einen Ende jeweils über einen Schalter (11, 12, 13) an eine gemeinsame Steuersammelschiene (SSS) geführt.

Mit ihrem anderen Ende sind sie zum einen jeweils mit einem eigenen Referenzwiderstand (14, 15, 16) verbunden und zum andern jeweils mit einem Wechselrichter-Regelkreis des zugehörigen Wechselrichters (1, 2, 3). Die drei Referenzwiderstände (14, 15, 16) liegen jeweils zwischen dem zugehörigen Bürdenwiderstand (8, 9, 10) und Steuerungs-Grundpotential.

Zwischen die drei Primärwicklungen und den gemeinsamen Verbraucher (8a) ist jeweils ein weiterer Schalter (17, 18, 19) gelegt.

Die Schalter (11, 12, 13) und die Schalter (17, 18, 19) sind, soweit sie zu einem gemeinsamen Wechselrichter (1, 2, 3) gehören, entweder gemeinsam geschlossen oder gemeinsam offen.

Zum Abschalten eines einzelnen Wechselrichters (1, 2, 3) werden beide Schalter geöffnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß weder die Spannung am Verbraucher (8a) noch die an den Wechselrichter-Regelkreis abgegebene Spannung von dem abgeschalteten Wechselrichter (1, 2, 3) beeinflußt wird. Wenn die drei Wechselrichter (1, 2, 3) für die gleiche Leistung ausgelegt sind, dann sollten sie beim Parallelbetrieb auch mit gleicher Leistung belastet werden.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit drei Zweigen, in denen jeweils eine Wechselspannungsquelle (20, 21, 22) mit einem in Reihe dazu liegenden Widerstand (23, 24, 25) angeordnet sind. Die drei Zweige sind an ihrem einen Ende - und zwar an der Seite der drei Wechselspannungsquellen (20, 21, 22) - an einer Schiene (SSS′) unmittelbar miteinander verbunden, an der anderen Seite sind sie an ein gemeinsames Steuerungsgrundpotential (Masse) angeschlossen.

Solange der Betrag und die Phasenlage der Wechselspannungen an den Wechselspannungsquellen (20, 21, 22) übereinstimmen, fällt an den Widerständen (23, 24, 25) keine Spannung ab. Verändert sich die Wechselspannung an einer einzigen (beliebigen) Wechselspannungsquelle (20, 21, 22), so sind die Spannungen an den Widerständen (23, 24, 25) nicht mehr gleich, und zwar ist im vorgenannten Falle am Widerstand (23 oder 24 oder 25) im Zweig mit der abweichenden Wechselspannungsquelle (20, 21, 22) eine doppelt so hohe Spannung wie an den restlichen zwei Widerständen.

Zwischen jedem der drei Wechselspannungsquellen (20, 21, 22) und dem zugeordneten Widerstand (23, 24, 25) ist jeweils ein Spannungsabgriff (26, 27, 28) eingefügt. Die dort anliegenden Spannungen könnten als Istwerte der Spannungsabweichung an einen Regler weitergeleitet werden. Die Schiene (SSS′) ist dann Träger eines Sollwertes.

Die Spannungsquellen (20, 21, 22) lassen sich auffassen als Ersatzschaltbild für die Bürdenwiderstände (8, 9, 10) aus der Fig. 1, die über die Stromwandler (5, 6, 7 nach Fig. 1) mit einem Strom gespeist werden, der phasengleich zu den aus den Wechselrichtern (1, 2, 3) herausfließenden Strömen ist.

Die Widerstände (23, 24, 25) entsprechen dann den Referenzwiderständen (14, 15, 16) der Fig. 1.

Die Spannungen an den Referenzwiderständen (14, 15, 16) der Fig. 1 stellen - in Analogie zu den Widerständen (23, 24, 25) - die Regelabweichung dar, die an den Wechselrichter-Regelkreis der Wechselrichter (1, 2, 3) geleitet wird, wie noch weiter unten erläutert wird. Wenn die Spannungen an den Referenzwiderständen (14, 15, 16) von null verschieden sind, ist das ein Zeichen dafür, daß die aus den Wechselrichtern (1, 2, 3) herausfließenden Ströme nicht gleich aufgeteilt sind.

Fig. 3 zeigt einen Wechselrichter-Regelkreis (für einen Einphasen-Wechselrichter, der über eine Frequenz- und Phasengleichlaufeinheit (Syn) synchronisiert ist). Ein solcher Wechselrichter-Regelkreis ist in allen Wechselrichtern (1, 2, 3) untergebracht, welche in Fig. 1 lediglich als Rechtecke dargestellt sind.

Es geht aus dieser Fig. 3 insbesondere hervor, an welcher Stelle die Istwerte der Parallelbetriebsabweichung in den Wechselrichter-Regelkreis eingekoppelt werden.

Die Istwerte der Parallelbetriebsabweichung werden mit negativem Vorzeichen über einen Bewertungswiderstand (R_B) an einem Summierpunkt (29) eingekoppelt. An diesen Summierpunkt (29) werden ferner der Ausgang eines Generators (G) geleitet und ein von einem Istwert-Übertrager (31) stammendes Signal.

An dem Istwert-Übertrager (31) liegt primärseitig die Ausgangsspannung des betreffenden Wechselrichters (1, 2, 3) an, die sekundärseitige Spannung wird mit umgekehrtem Vorzeichen an den Summierpunkt (29) geleitet. Der Generator (G) gibt eine sinusförmige Referenzspannung ab (bei Sinus-Wechselrichtern), die für alle drei Wechselrichter (1, 2, 3) bezüglich Betrag und Phasenlage gleich groß ist. Dem Summierpunkt (29) ist ein Fehlerverstärker (30) nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal an einen weiteren Summierpunkt (32) geführt ist. An diesen Summierpunkt (32) ist zusätzlich ein weiteres Signal geführt, welches von einer Schaltung (33) für eine Strombegrenzung und die Bildung weiterer Korrektursignale für eine wechselrichterinterne Regelung stammt. Dem Summierpunkt (32) ist zunächst ein Regler (34) und dahinter ein Schwellwertschalter (35) nachgeschaltet.

Dieser Schwellwertschalter (35) steuert in an sich bekannter Weise die Transistoren einer mit Gleichspannung versorgten Transistorbrücke (36), die eine Wechselspannung abgibt. Diese Wechselspannung wird an die Primärwicklung eines Wechselrichter-Transformators (37) geleitet. Zur Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung mit besonders kleinem Klirrfaktor ist zum einen in Reihe zu der Primärwicklung des Wechselrichter-Transformators (37) eine Drossel (38) geschaltet und zum andern parallel zu der Sekundärwicklung ein Kondensator (39). An diesem Kondensator (39) liegt die Ausgangsspannung des Wechselrichters (1 oder 2 oder 3).

Durch Wahl geeigneter Bürdenwiderstände (8, 9, 10 nach Fig. 1) und Bewertungswiderstände (R_B nach Fig. 3) lassen sich Wechselrichter (1, 2, 3) mit verschiedener Leistung parallel betreiben, wobei währenddessen jeder Wechselrichter (1, 2, 3) entsprechend seiner Belastbarkeit mit unterschiedlicher Leistung beansprucht wird.

Für die Anwendung der Erfindung beim Parallelbetrieb von Drehstrom-Wechselrichtern sind die vorgenannten Einrichtungen in jedem Wechselrichter (1, 2, 3) - mit Ausnahme der Transistorbrücke (36) und dem Wechselrichter-Transformator (37) - naturgemäß dreimal (für jede Phase ein solcher Zweig) vorhanden.

Die Transistorbrücke (36) weist bei einem Drehstrom-Wechselrichter 2 statt 3 Zweige auf (B6-C-Schaltung); der Wechselrichter-Transformator (37) ist in einem solchen Fall ein Drehstrom-Transformator mit 3 Schenkeln. Der (Sinus-)Generator (G) eines jeden Wechselrichters ist dann ein Dreiphasen-Generator, der durch die Frequenz- und Phasengleichlaufeinheit (Syn) synchronisiert wird.

Claims (12)

1. Schaltungsanordnung mit parallel betriebenen Wechselrichtern zur Wechselspannungsversorgung eines gemeinsamen Verbrauchers, wobei die Wechselrichter phasengleich betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wechselrichter (1, 2, 3) einen Wechselrichter-Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspannung des Wechselrichters (1, 2, 3) hat, daß jedem Wechselrichter (1, 2, 3) ein Stromwandler (5, 6, 7) nachgeschaltet ist, daß parallel zur Sekundärseite eines jeden dieser Stromwandler (5, 6, 7) ein Bürdenwiderstand (8, 9, 10) angeordnet ist, daß alle Bürdenwiderstände (8, 9, 10) einheitlich mit ihrem einen Ende über einen ersten Schalter (11, 12, 13) an eine gemeinsame Sammelschiene (SSS) angeschlossen sind und mit ihrem anderen Ende jeweils zum einen an einen Referenzwiderstand (14, 15, 16), der jeweils zwischen Grundpotential und dem betreffenden Bürdenwiderstand (8, 9, 10) liegt, und zum andern jeweils an einen Summierpunkt (29) im zugehörigen Wechselrichter-Regelkreis geführt sind, daß diesem Summierpunkt (29) eine Referenzspannung und ferner ein der Ausgangsspannung des jeweiligen Wechselrichters (1, 2, 3) proportionales Signal zugeleitet werden und daß weiterhin zwischen jedem Wechselrichter (1, 2, 3) und dem Verbraucher (8a) jeweils ein zweiter Schalter (17, 18, 19) eingefügt ist und daß der erste Schalter und der zweite Schalter gemeinsam offen oder gemeinsam geschlossen sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Wechselrichter (1, 2, 3) mindestens ein gemeinsamer Verbraucher (8a) versorgt wird, der den Stromwandlern (5, 6, 7) nachgeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwiderstände (14, 15, 16) den gleichen Widerstandswert haben.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürdenwiderstände (8, 9, 10) den gleichen Widerstandswert haben.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürdenwiderstände (8, 9, 10) unterschiedliche Werte für unterschiedliche Lastaufteilung der Wechselrichter haben.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (1, 2, 3) gleichzeitig parallel betrieben werden.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Wechselrichter (1, 2, 3) im Normalbetrieb nicht zur Versorgung des/der Verbraucher (8a) beiträgt, sondern nur bei einer Störung als Ersatz für einen anderen Wechselrichter (1, 2, 3).

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Wechselrichtern (1, 2, 3) um einphasige Wechselrichter (1, 2, 3) handelt.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Wechselrichtern um dreiphasige Wechselrichter handelt.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Summierpunkt (29) zugeleitete Referenzspannung einen sinusförmigen Verlauf hat.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter-Regelkreise digital arbeiten.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter-Regelkreise analog arbeiten.