DE69320425T2

DE69320425T2 - Wechselrichterschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE69320425T2
Application number: DE69320425T
Authority: DE
Inventors: Chihiro Okado
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba FA Systems Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba FA Systems Engineering Corp
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2013-06-24
Also published as: EP0576271A2; DE69320425D1; KR0142026B1; EP0576271A3; US5493485A; CN1086639A; KR940006331A; CN1036036C; AU655889B2; EP0576271B1; AU4140593A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung zum Schutz eines Wechselrichters, in dem Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umgewandelt und an eine Last angelegt und ein Betrieb in Verbindung mit einem Gleichstromenergiesystem bewirkt wird.

Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik

Ein typisches Beispiel einer herkömmlichen Wechselrichterschutzeinrichtung ist in Fig. 24 dargestellt und wird nun beschrieben.
Die Gleichspannungsenergie einer Gleichspannungsenergiequelle 1, die durch eine Solarzelle, eine Brennstoffzelle, etc. gebildet ist, wird durch einen PWM (Pulsweitenmodulation)-steuerbaren Wechselrichter in Wechselstromenergie umgewandelt. Aus der Wechselstromenergie werden die hochfrequenten Komponenten, die von der Pulsweitenmodulations-Steuerung herrühren, durch ein Filter entfernt, das durch eine Reaktanz 3 und einen Kondensator 4 gebildet ist, und die Wechselstromenergie wird einer Last 9 zugeführt.
Der Last 9 wird ferner Gleichstromenergie für allgemeine Haushaltszwecke zugeführt, wobei die Gleichstromenergie von einem Gleichstromenergiesystem 8 über einen Schalter 7 und einen Transformator 6 zugeführt wird, und der Betrieb wird mit der Wechselstromenergie des Wechselrichters 2, der mit dem Wechselstromenergiesystem 8 verbunden ist, bewirkt. Die Wechselspannung, die an die Last 9 angelegt ist, wird durch einen Spannungsdetektor 10 detektiert, und ein Sinuswellensignal Vs ist ein Eingangssignal in eine Stromreferenzschaltung 12 über ein Bandpaßfilter 16. Die Stromreferenzschaltung 12 multipliziert das Sinuswellensignal Vs und ein Steuersignal Vc, das ein Ausgangssignal eines Verstärkers 11 ist, und gibt eine Stromreferenz I* aus. Die Stromreferenz I* und ein Ausgangsstrom I des Wechselrichters 2, der durch einen Stromdetektor 5 detektiert wird, sind Eingangssignale für einen Verstärker 13, und die Pulsweitenmodulationssteuerung des Wechselrichters 2 wird über einen Pulsweitenmodulationssteuerabschnitt 14 und einen Treiberabschnitt 15 bewirkt, um die Stromabweichung zu Null zu machen.
Die Phase der Stromreferenz I* ist ungefähr koinzident mit der Phase der Wechselspannung, die der Last 9 zugeführt wird, und Wechselstromenergie mit einem hohen Leistungsfaktor wird von dem Wechselrichter 2 zugeführt.
Wenn eine Solarzelle als Gleichstromenergiequelle 1 verwendet wird, wird eine Spannungsreferenz V* eingestellt, um die maximale Energie zu entnehmen. Der Verstärker 11 erzeugt das Steuersignal Vc für die Stromreferenzschaltung 12, so daß eine Ausgangsspannung V der Gleichspannungsenergiequelle 1 mit der Spannungsreferenz V* koinzident ist.
Eine detaillierte Beschreibung dessen wird jedoch weggelassen, da sie sich nicht direkt auf die Erfindung bezieht.
Bei dem oben beschriebenen Verteilungssystem wird eine Wartung und Inspektion der Lastseite einschließlich des Transformators 6 unter Trennung von dem Wechselstromenergiesystem 8 bewirkt, indem der Schalter 7 geöffnet wird. In diesem Fall wird der Zustand auf der Lastseite durch ein Spannungsrelais 17 und ein Fre quenzrelais 18 überwacht, und wenn die Trennung von dem Gleichspannungsenergiesystem 8 bewirkt ist, wird dies durch eine Abnormalitätsdetektionsschaltung 19 detektiert und der Betrieb des Treiberabschnitts 15 angehalten, um den Betrieb des Wechselrichters 2 anzuhalten.
Es existieren jedoch Situationen, bei denen dann, wenn die durch den Wechselrichter 2 zugeführte Energie und die Energie der Last 9 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Trennung von dem Wechselstromenergiesystem durch Öffnen des Schalters 7 bewirkt wird, sich im Gleichgewicht befinden, die Abnormalitätsdetektionsschaltung 19 eine Abnormalität nicht detektiert und der Wechselrichter 2 seinen Betrieb fortsetzt. Dieser Zustand wird als Inseln oder umgekehrtes Laden bezeichnet und ist während der Wartungs- und Inspektionsarbeiten gefährlich.
Insbesondere dann, wenn ein Induktionsmotor als Last 9 angeschlossen ist, besteht eine Tendenz der Spannung und der Frequenz des Wechselstromenergiesystems 8, durch die gegenelektromotorische Kraft dieses Motors zuverlässig aufrechterhalten zu werden, so daß es schwierig ist, ein Inseln zu detektieren.
Ein Frequenzfluktuationssystem, ein Bandpaßfiltersystem, ein Energiefluktuationssystem und ein Überwachungssystem für höhere harmonische Spannungen, wie unten angegeben, sind vorgeschlagen worden, um dem Inseln vorzubeugen, und diese Systeme werden nun beschrieben.

< Frequenzfluktuationssystem>

Eine Phasenverschiebung einer festen niedrigen Frequenz wird mittels einer Fluktuationsschaltung 21 auf die Phase der Systemspannungsreferenz angewandt, die ein Eingangssignal der Stromreferenzschaltung 12 ist. Inseln wird aus der Fluktuation der Wechselrichterausgangsfrequenz detektiert, die dann eintritt, wenn der Schalter 7 geöffnet wird. Bei diesem System werden jedoch dann, wenn die Wechselrichterenergie (einschließlich Blindleistung) und die Lastenergie perfekt im Gleichgewicht stehen, die Frequenz und die Spannung unverändert sein, mit dem Ergebnis, daß die Detektion eines Inselns nicht erfolgreich sein wird.

< Bandpaßfiltersystem>

Wegen der Charakteristik des Bandpaßfilters 16 sind die Größe und die Phase der Stromreferenz I* von Fig. 24 so, wie in Fig. 25 dargestellt. Zu Zeitpunkten, zu denen ein Inseln vorliegt, verschiebt sich dann, wenn die Blindleistung, die durch den Wechselrichter 2 zugeführt wird, und die Blindleistung, die von der Last benötigt wird, nicht gleich sind, die Frequenz der zu der Last zugeführten Wechselspannung von der veranschlagten Frequenz f&sub0;, der Wert des Stromes fällt, das wirksame Energiegleichgewicht geht verloren, die Wechselspannung fällt, das Spannungsrelais 17 detektiert eine Abnormalität und der Inverter 12 wird angehalten.
Es wird nun der Fall betrachtet, bei dem die Lastimpedanz aus einem Widerstand R und einer Reaktanz L besteht, wie dies in Fig. 26(a) dargestellt ist, und bei dem der induktive Leistungsfaktor ø so ist, wie in Fig. 26(b) dargestellt. In einer Situation, in der der Wechselrichter 2 mit einem Gleichstromenergiesystem mit einer hohen Energiekapazität verbunden wird, arbeitet er bei der veranschlagten Frequenz f&sub0;, und daher gibt der Wechselrichter 2 wegen der Bandpaßfiltercharakteristik aus Fig. 25 Energie mit einem Leistungsfaktor von 1 ab.
Wenn der Schalter 7 geöffnet wird, damit die Ausgangsenergie des Wechselrichters 2 in Gleichgewicht mit der durch die Last benötigten Energie gebracht wird, steigt die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters 2 wegen des induktiven Leistungsfaktorwinkels ø der Last 9 an. Wenn sie bis zu der Frequenz f&sub1; ansteigt, führt der Wechselrichter 2 Energie zu, deren Phase um den induktiven Leistungsfaktorwinkel ø nacheilt wegen der Charakteristik des Bandpaßfilters 16. Dies bedeutet, daß der Wechselrichter 2 arbeitet, um seine Ausgangsfrequenz zu verringern. In diesem Fall fällt der Wert des Stromes nur geringfügig von I&sub0; auf I&sub1;, und die Fluktuation der Spannung ist nicht groß. Die Spannungsfluktuation wird durch die zugeführte Wirkleistung und die durch die Last 9 verbrauchte Wirkleistung bestimmt.
Wenn jedoch das Bandpaßfilter 16 nicht vorhanden ist, wird, da der Wechselrichter 2 in einer Art und Weise funktioniert, daß ständig ein Fluß eines Stromes mit einem Leistungsfaktor von 1 vorhanden ist, an dem Punkt, an dem ein Gleichgewicht im Falle von Fig. 26(a) hergestellt ist, die Frequenz unbegrenzt groß werden. (Sie wird tatsächlich nicht unbegrenzt groß, da eine Steuerverzögerung usw. vorgesehen ist, sie wird jedoch zu einer extrem hohen Frequenz.)
Auf diese Weise wirkt das Bandpaßfilter 16, um Systemfrequenzfluktuationen zum Zeitpunkt eines Inselns zu unterdrücken. Im Falle eines kapazitiven Leistungsfaktors einer Last, arbeitet der Wechselrichter 2, um seine Ausgangsfrequenz zu erhöhen, und das Bandpaßfilter 16 arbeitet, um eine Verringerung der Frequenz zu unterdrücken. Da zum Zeitpunkt eines Inselns die Arbeit des Bandpaßfilters 16 auf eine Erhöhung der Spannungsfluktuation, jedoch auf eine Unterdrückung der Frequenzfluktuation gerichtet ist, kann, in Abhängigkeit von den Bedingungen, die Detektion eines Inselns verzögert sein.

< Energiefluktuationssystem>

Die Fluktuationsschaltung 21 in Fig. 24 bewirkt, daß die Stromreferenz I*, die ein Ausgangssignal der Stromreferenzschaltung 12 ist, zu einer niedrigen Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Bereiches fluktuiert. Wenn der Schalter 7 geöffnet wird, bricht das Gleichgewicht zwischen der Energie (Blindleistung und Wirkleistung), die das Ausgangssignal des Wechselrichters 2 ist, und der Lastenergie zusammen, und dementsprechend wird eine Spannungs- und Frequenzfluktuation verursacht und das Inseln detektiert. Es existieren jedoch sogar bei diesem System dann, wenn eine große Anzahl von Wechselrichtern 2 parallel verbunden ist, Fälle, in denen sich die Phasen der Energiefluktuation der verschiedenen Wechselrichter 2 voneinander unterscheiden und dementsprechend der Zustand ein solcher ist, daß insgesamt keine Energiefluktuation existiert und dementsprechend eine Detektion nicht möglich ist.

< Überwachungssystem für höhere harmonische Spannungen>

Harmonische Spannungen auf der Lastseite werden mittels einer Detektionsschaltung 20 für höhere Harmonische detektiert, und wenn der Schalter 7 geöffnet ist, wird ein Inseln durch die Tatsache detektiert, daß in höheren Harmonischen (3., 5. und 7. Harmonische) ein Anstieg stattfindet. Bei diesem System existiert jedoch dann, wenn eine große Anzahl von Lasten 9, die Gleichrichterschaltungen mit kapazitivem Eingang haben, verwendet wird, beispielsweise bei Wechselrichtern in Klimaanlagen oder Fernsehgeräten, ein erheblicher Abfall in der Zuverlässigkeit der Detektion, da eine Erhöhung in der 3., 5. und 7. Harmonischen auch zu normalen Zeiten auftritt.
Der Leser sei hingewiesen auf IEEE Transactions, on Energy Conversion, Juni 1989, USA, Vol. 4, Nr. 2, S. 117-183, und EPE '91., 4th European Conference on Power Electronics and Applications, Firenze, Italien, 3.-6. Sept. 1991, 1992, Torino, Italien, Litografia Geda, Italien, S. 40-45 Vol. 4.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Wechselrichterschutzeinrichtung vorzusehen, die ein Inseln mit hoher Zuverlässigkeit detektieren kann. Diese und andere Aufgaben der Erfindung können gelöst werden durch einen Gegenstand, wie er im Anspruch 1 definiert ist, und insbesondere durch Vorsehen einer Steuervorrichtung für einen Wechselrichter zur Verbindung mit einem Wechselstromenergiesystem, zum Umwandeln von Gleichstromenergie aus einer Gleichstrom- Energiequelle in Wechselstromenergie und zum Anlegen der genannten Wechselstromenergie an eine Last, wobei die genannte Steuervorrichtung aufweist Spannungsdetektionsmittel zur Detektion einer Ausgangsspannung des Wechselrichters, Stromreferenzerzeugungsmittel zum Erzeugen einer Stromreferenz in Übereinstimmung mit einer Ausgangsspannung der Gleichstrom-Energiequelle und einer Spannungsreferenz, Stromdetektionsmittel zur Detektion eines Ausgangsstromes des Wechselrichters, Pulsweitenmodulations-Steuermittel zum Steuern des Wechselrichters in Übereinstimmung mit der durch die Spannungsdetektionsmittel detektierten Ausgangsspannung, der durch die Stromreferenzerzeugungsmittel erzeugten Stromreferenz und dem durch die Stromdetektionsmittel detektierten Ausgangsstrom, und ein Abnormalitätsdetektionsmittel zur Detektion einer Abnormalität in der Ausgangsspannung und zum Anlegen eines Abnormalitätssignales an die Pulsweitenmodulations-Steuermittel, um den Betrieb des Wechselrichters basierend auf der detektierten Abnormalität anzuhalten, gekennzeichnet durch
erste Detektionsmittel zur Detektion, daß ein Wechselstromausgang des Wechselrichters von dem Wechselstrom-Energiesystem getrennt ist, basierend auf einer elektrischen Größe, die die Frequenz der Ausgangsspannung und/oder ein Änderungsverhältnis der Frequenz und/oder ein Verzerrungsveränderungsverhältnis der genannten Ausgangsspannung umfaßt, und zum Erzeugen eines Detektionssignales basierend auf einem Detektionsergebnis;
Korrektursignalerzeugungsmittel, die verbunden sind, um das Detektionssignal von den ersten Detektionsmitteln zu empfangen, zum Erzeugen eines Korrektursignales, um die Phase der Ausgangsspannung in einer Richtung zu verschieben, um die Frequenz der Ausgangsspannung zu verändern und damit ein Energiegleichge wicht zwischen einer Ausgangsenergie des Wechselrichters und einer durch die Last aufgenommenen Energie zu brechen;
Korrekturmittel, die verbunden sind, um das Korrektursignal von den Korrektursignalerzeugungsmitteln zu empfangen, zum Korrigieren der Stromreferenz in Übereinstimmung mit dem Korrektursignal von den Korrektursignalerzeugungsmitteln und zum Anlegen einer korrigierten Stromreferenz an die Stromreferenzerzeugungsmittel; und
zweite Detektionsmittel zur Detektion, daß das Energiegleichgewicht gebrochen ist, und zum Anlegen eines Gleichgewichtssignales an das Abnormalitätsdetektionsmittel;
wobei das Abnormalitätsdetektionsmittel die Abnormalität basierend auf dem Gleichgewichtssignal von den zweiten Detektionsmitteln detektiert und das Abnormalitätssignal zum Anhalten des Betriebes des Wechselrichters basierend auf der detektierten Abnormalität an die Pulsweitenmodulations-Steuermittel anlegt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine komplettere Würdigung der Erfindung und vieler der sich ergebenden Vorteile wird durch ein besseres Verständnis derselben durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erhalten, wobei
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das eine Wechselrichterschutzvorrichtung entsprechend einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt;
Fig. 2 eine Ansicht zum Beschreiben der Charakteristiken eines Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreises 31 aus Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Wellenformdiagramm zum Beschreiben des Betriebes der Wechselrichterschutzvorrichtung aus Fig. 1 ist;
Fig. 4 eine Ansicht zum Beschreiben anderer Charakteristiken eines Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreises 31 aus Fig. 1 ist;
Fig. 5 eine Ansicht zum Beschreiben eines anderen Ausführungsbeispieles dieser Erfindung ist;
Fig. 6 eine Ansicht zum Beschreiben noch eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung ist;
Fig. 7 ein Blockdiagramm ist, das eine Wechselrichterschutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist;
Fig. 8 eine Ansicht zum Beschreiben der Charakteristiken eines Funktionsgenerators 44 aus Fig. 7 ist;
Fig. 9 eine Ansicht ist, die den Lastzustand darstellt, der bei der Erläuterung des Betriebs des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 7 angegeben ist;
Fig. 10 ein Blockdiagramm ist, das eine Wechselrichterschutzvorrichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist;
Fig. 11 eine Ansicht zum Beschreiben eines weiteren Ausführungsbeispieles dieser Erfindung ist;
Fig. 12 ein Blockdiagramm ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt;
Fig. 13 ein Blockdiagramm ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt;
Fig. 14 ein Blockdiagramm ist, das eine Wechselrichterschutzvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
Fig. 15 ein Wellenformdiagramm zum Beschreiben des Betriebs eines Transformators 6 aus Fig. 14 ist;
Fig. 16 eine Ansicht zum Beschreiben des Betriebs des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 14 ist;
Fig. 17 ein Wellenformdiagramm zum Beschreiben des Betriebs des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 14 ist;
Fig. 18 ein Blockdiagramm ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
Fig. 19 ein Wellenformdiagramm zum Beschreiben des Betriebs des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 14 ist;
Fig. 20 ein Blockdiagramm ist, das eine Wechselrichterschutzvorrichtung nach einem weiteren Ausfüh rungsbeispiel dieser Erfindung darstellt;
Fig. 21 eine Ansicht zum Beschreiben des Betriebs des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 20 ist;
Fig. 22 eine Ansicht zum Beschreiben des Betriebs des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 20 ist;
Fig. 23 ein Blockdiagramm ist, das ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung darstellt;
Fig. 24 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel einer herkömmlichen Wechselrichterschutzvorrichtung darstellt;
Fig. 25 ein Wellenformdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Wechselrichterschutzvorrichtung gemäß Fig. 24 ist und
Fig. 26 eine Ansicht ist, die den Lastzustand zeigt, der bei der Erläuterung der Erfindung angegeben ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS- BEISPIELE

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, werden nun die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Wechselrichterschutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. In Fig. 1 bildet eine Wechselspannung, die durch den Spannungsdetektionsschaltkreis 10 detektiert wird, über das Bandpaßfilter 16 ein Eingangssignal in einen Frequenzdetektionsschaltkreis 22, wobei hier die Frequenz detektiert und die detektierte Frequenz V22 ein Eingangssignal in einen Frequenzänderungsverhältnis(df/dt)-Detektionsschaltkreis 23 und einen Rechenschaltkreis 24 bildet. Ein Frequenzänderungsverhältnis (df/dt) V&sub2;&sub3;, das in dem Frequenzänderungsverhältnis-Detektionsschaltkreis 23 detektiert wird, bildet ein Eingangssignal in den Rechenschaltkreis 24. Die Frequenz V&sub2;&sub2; und das Frequenzände rungsverhältnis V&sub2;&sub3; werden in einem Einstellverhältnis in dem Rechenschaltkreis 24 addiert, und ein Ausgangssignal V&sub2;&sub4; (f + α (df/dt) : α ist ein Koeffizient) bildet ein Eingangssignal in einen Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30.
Die durch den Spannungsdetektionsschaltkreis 10 detektierte Wechselspannung wird ferner über einen Detektionsschaltkreis 25 zur Detektion der augenblicklichen Spannung einem Berechnungsschaltkreis 26 zum Berechnen eines Effektivwertes der Spannung zugeführt. Ein Effektivwert V&sub2;&sub6; wird in dem Berechnungsschaltkreis zum Berechnen des effektiven Spannungswertes bestimmt und bildet ein Eingangssignal in das Spannungsrelais 17. Der Effektivwert V&sub2;&sub6; wird hier mit einem eingestellten Spannungswert verglichen, und eine Wechselspannungs-Abnormalität wird detektiert und bildet ein Eingangssignal in den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19.
Die durch den Frequenzdetektionsschaltkreis 22 detektierte Frequenz V&sub2;&sub2; der Wechselspannung bildet ferner ein Eingangssignal in das Frequenzrelais 18. Die Frequenz V&sub2;&sub2; wird mit einer eingestellten Frequenz verglichen, und eine Frequenzabnormalität wird hier detektiert und bildet ein Eingangssignal in den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19.
Ferner bildet die Wechselspannung, die durch den Spannungsdetektor 10 detektiert wird, ein Eingangssignal in einen Nulldurchgangsdetektor 28, in dem Nulldurchgänge detektiert werden, und der detektierte Wert bildet ein Eingangssignal in einen Verzerrungsdetektor 27. Der durch den Detektionsschaltkreis 25 zur Detektion des augenblicklichen Spannungswertes detektierte augenblickliche Spannungswert wird ebenfalls dem Verzerrungsdetektor 27 zugeführt. Der Verzerrungsdetektor 27 detektiert einen Verzerrungswert V&sub2;&sub7; in der Nähe des Nulldurchgangs der Wechselspannung und gibt den Detektionswert V&sub2;&sub7; als Eingangswert in ein Verzerrungsrelais 32 ein. Der Fall, bei dem der Detektionswert V&sub2;&sub7; größer als ein eingestellter Wert ist, wird durch das Verzerrungsrelais 32 detektiert und als Eingangssignal dem Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 zugeführt. Ein Stopbefehl wird dem Treiberabschnitt 15 von dem Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 zugeführt, wenn wenigstens eines der Ausgangssignale des Spannungsrelais 17, des Frequenzrelais 18 und des Verzerrungsrelais 32 als Eingangssignal an dem Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 anliegt.
Der Detektionswert V&sub2;&sub7; des Verzerrungsdetektors 27 bildet ein Eingangssignal in einen Verzerrungsänderungsdetektor 33, der eine Verzerrungsänderung detektiert, und ein invertierter Wert (-β) des Detektionswertes wird dem Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 zugeführt. Die Stromreferenz I* von dem Stromreferenzschaltkreis 12 und der durch den Berechnungsschaltkreis 26 zur Berechnung des Effektivwertes der Spannung berechnete Effektivwert V&sub2;&sub6; bilden Eingangssignale in einen Änderungsverhältnis-Detektionsschaltkreis 29, der ein Änderungsverhältnis dV/dI* detektiert und als Eingangssignal dem Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 zuführt. In dem Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 wird auf der Basis des Änderungsverhältnisses dV/dI* des Effektivwertes V der Spannung und der Stromreferenz I* beurteilt, ob sich die Spannung geändert oder nicht geändert hat, weil sich der Ausgangsstrom des Wechselrichters geändert hat, ob der Schalter 7 also geöffnet oder nicht geöffnet ist.
Der Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 gibt Koeffizienten F1 und F2 durch Gewichtung der Eingangswerte V&sub2;&sub4;, -β und dV/dI* aus. Das Detail des Koeffizienten-Einstellschaltkreises 30 wird später beschrieben.
Die Ausgangswerte F1 und F2 des Koeffizienten-Einstellkreises 30 bilden Eingangssignale in einen Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31, der eine derartige Struktur aufweist, daß die Phase und der Gewinn der Stromreferenz I* geändert werden können.
Das Detail des Phasen/Gewinn-Einstellfeldkreises 31 wird später beschrieben. Ein Sinuswellensignal V&sub3;&sub1;, das durch die in dem Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 eingestellte Phase und Gewinn bestimmt wird, bildet ein Eingangssignal für den Stromreferenzschaltkreis 12. Der Stromreferenzschaltkreis 12 multipliziert das Sinuswellensignal V&sub3;&sub1; und das Steuersignal Vc, das das Ausgangssignal des Verstärkers 11 ist, und gibt die Stromreferenz I* basierend auf dem Multiplikationsergebnis aus.
Als nächstes wird der Betrieb des auf diese Weise gebildeten Ausführungsbeispieles der Erfindung beschrieben.
Fig. 2 stellt ein Beispiel der Charakteristiken der durch den Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 basierend auf den Koeffizienten F1 und F2, die Ausgangssignale des Koeffizienten-Einstellschaltkreises 30 sind, eingestellten Phase und des eingestellten Gewinns dar. Wenn der Wechselrichter mit dem Wechselspannungsenergiesystem verbunden und der Schalter 7 geschlossen ist, bildet, da die Frequenz des Systemes ungefähr bei dem veranschlagten Wert F&sub0; (50 Hz oder 60 Hz) erhalten wird, Strom mit der gleichen Phase (Leistungsfaktor = 1) wie derjenigen des Wechselstromenergiesystems ein Ausgangssignal aus dem Wechselrichter, und die Stromreferenz I* wird ein Ausgangssignal mit einem Gewinn von 1, (d. h. einem maximalen Energiepunkt einer Solarzelle).
Als nächstes wird der Betrieb zu einem Zeitpunkt eines Inselns beschrieben, wenn der Schalter 7 geöffnet ist, indem diese Fälle in drei Fälle I-1, I-2 und I-3 klassifiziert werden.

I-1 (Δ Q ≠ 0)

Die Steuerung wird in einer Weise bewirkt, daß der Wechselrichter 2 ein Ausgangssignal mit einem Leistungsfaktor = 1 erzeugt, was bedeutet, daß er keine Blindleistung erzeugt, wenn ein Ungleichgewicht herrscht, was bedeutet, daß eine Differenz Δ Q zwischen der Blindleistung des Ausgangssignales des Inverters und der Blindleistung der Last besteht (Δ Q ≠ 0). Im einzelnen ist die Frequenz f&sub0;, und der Filterkondensator 4 wird als die Last betrachtet.
Die Frequenz V&sub2;&sub2; und die Frequenzänderung V&sub2;&sub3; werden detektiert, und der Rechenschaltkreis 24 bestimmt den Wert V&sub2;&sub4;, d. h. f + α (df/dt) (α ist ein Koeffizient) basierend auf den Eingangswerten V&sub2;&sub2; und V&sub2;&sub3;. Die Koeffizientenwerte F1 und F2 werden durch den Koeffizienten- Einstellschaltkreis 30 eingestellt, der den Wert V&sub2;&sub4; als eine Gewichtung heranzieht. Der Phasen/Gewinnn-Einstellschaltkreis 31 bestimmt die Phase und den Gewinn des Sinuswellensignales V&sub3;&sub1; basierend auf den Eingangskoeffizientenwerten F2 und F1, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Dann werden die Phase und die Größe der Stromreferenz I* basierend auf dem Sinuswellensignal V&sub3;&sub1; verändert, um dadurch die Phase und die Größe des Wechselrichterstromes zu verändern.
Als nächstes wird der Betrieb in dem Fall beschrieben, in dem nur die Stromphase verändert wird, indem F2 = V&sub2;&sub4; gesetzt wird. In diesem Fall wird, wenn die Last einen induktiven Leistungsfaktor wie in Fig. 26(e) aufweist, die Frequenz der Wechselspannung, um den Inverterstrom IIN in ein Gleichgewicht zu bringen, und der Laststrom I&sub1; geringfügig höher, und der Lastleistungsfaktor versucht durch eine Erhöhung in dem Kondensatorstrom und eine Verringerung in dem Reaktanzstrom 1 zu werden. In dem Fall von Fig. 26(e) ist f + α (df/dt) > f&sub0;, und so gibt der Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 den Koeffizientenwert F2 aus, der größer als der veranschlagte Wert f&sub0; ist. Während die durch den Koeffizientenwert F2 bestimmte Phase voraneilt, wird die Phase des Inverterstromes durch diese Steuerung nach vorne geschoben. Als Ergebnis steigt die Frequenz der Wechselspannung noch weiter an, da die Phasen von Laststrom und Inverterstrom nicht übereinstimmen. Da dieser Betrieb eine positive Rückkopplung bildet, steigt die Frequenz noch weiter in Richtung auf unendlich an. Wenn aber die Charakteristik so eingestellt ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, dann eilt die Stromphase nach, wenn der Koeffizientenwert F2 über einen bestimmten Bereich hinausgeht, stimmen die Leistungsfaktoren von Last und Wechselrichter überein und ein ist Gleichgewicht beispielsweise bei einem Punkt Fa hergestellt, an dem die Linie L&sub0;, die die Phasencharakteristik darstellt, die Linie L&sub1; schneidet, die den Phasennacheilwinkel der Last 9 darstellt.
In dem Fall, daß die Last einen kapazitiven Leistungsfaktor hat, wie dies in Fig. 26(d) dargestellt ist, ist zu einem Zeitpunkt eines Inselns der Effekt der, daß, um den Leistungsfaktor des Wechselrichters und den Leistungsfaktor der Last zur Übereinstimmung zu bringen, eine Aktion ausgeführt wird, um die Blindleistung durch einen Abfall in der Spannungsfrequenz, einen Abfall in dem Kondensatorstrom und eine Erhöhung in dem Spulenstrom ins Gleichgewicht zu bringen. Da die Frequenz fällt, und f + α (df/dt) < f&sub0;, gibt der Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 den Koeffizientenwert F2 aus, der kleiner ist als der veranschlagte Wert f&sub0;. Die durch den Koeffizienten F2 bestimmte Phase eilt nach, wie dies in Fig. 2(b) dargestellt ist. Dementsprechend ist die Steuerung derart, daß der Wechselrichterstrom nacheilt und daher die Frequenz der Wechselspannung noch weiter abfällt.
Durch eine positive Rückkopplungsaktion fällt die Wechselspannungsfrequenz noch weiter in Richtung auf Null ab. Wenn jedoch die Charakteristik so gesetzt ist, daß, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, eilt der Strom vor, wenn der Koeffizientenwert F2 unterhalb eines bestimmten Wertes fällt, stimmen die Leistungsfaktoren von Last und Wechselrichter überein und ein Gleichgewicht ist beispielsweise bei einem Punkt Fb her gestellt, an dem die Linie f&sub0;, die die Phasencharakteristik darstellt, die Linie L&sub2; schneidet, die den voreilenden Phasenwinkel der Last 9 darstellt.
Wenn das Gleichgewicht an dem Punkt Fa oder Fb wie oben beschrieben hergestellt ist, wenn also das Frequenzrelais 18 bei Punkten Fx oder Fy eingestellt ist, kann ein Inseln leicht detektiert werden und der Wechselrichter 2 kann angehalten werden, wenn die Differenz Δ Q nicht Null ist.
In diesem Fall ist es, da eine Abweichung der Frequenz verursacht ist (die Stromphase wird nach vorne geschoben, wenn die Frequenz ansteigt) nicht wünschenswert, daß die Spannung an der Last zu hoch wird. Der Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 gibt den Koeffizientenwert F1 (= V&sub2;&sub4;) aus, und der Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 stellt die Gewinncharakteristik ein, wie dies in Fig. 2(a) dargestellt ist. Durch diese Einstellung ist es möglich, den Wechselrichterstrom zu verringern und die Wechselspannung zu verringern, um das Spannungsrelais 17 zu betätigen, wenn die Frequenzabweichung groß wird, mit dem Ergebnis, daß eine zu bevorzugende Steuerung erreicht ist.

I-2 (Δ Q = 0, Δ P ≠ 0)

Als nächstes wird der Fall betrachtet, bei dem die Differenz Δ Q gleich Null ist und ein Ungleichgewicht herrscht, was bedeutet, daß die Differenz Δ P zwischen der Wirkleistung der Last und der Wirkleistung des Wechselrichters nicht Null ist. In diesem Fall wird angenommen, daß der äquivalente Schaltkreis der Last in Fig. 26(c) dargestellt ist.
In Fig. 26(c) wird Wirkleistung ausschließlich durch einen Widerstand R verbraucht, da ein Kondensator C und eine Spüle L keine Wirkleistung verbrauchen. Falls die an die Last 9 angelegte Spannung sich zu (V + Δ V) (V ist die veranschlagte Spannung) bestimmt, so ist die von dem Widerstand R verbrauchte Leistung (V + Δ V)²/R. Δ V ist die Höhe der Spannungsänderung beim In seln.
Daher ist Δ P = [(V + Δ V)²/R] - [V²/R], und falls die Differenz Δ P größer als ein eingestellter Wert ist, so ist die Spannung (V + Δ V) größer als ein eingestellter Wert und wird größer als die eingestellte Spannung, und sie wird durch das Spannungsrelais 17 detektiert und der Wechselrichter 2 kann angehalten werden.

I-3 (Δ Q = 0, Δ P = 0)

Als nächstes wird der Fall betrachtet, bei dem die Detektion am schwierigsten ist und die Differenz Δ Q vollständig Null und die Differenz Δ P ungefähr gleich Null ist.
Fig. 3(a) zeigt das Verhältnis zwischen der Wechselspannung VAC und dem Erregungsstrom iex des Transformators 6. Wegen der Sättigungscharakteristik des Kerns unterscheidet sich der Erregungsstrom iex von einer Sinuswelle und weist eine Spitzenstromform in der Nähe des Nulldurchganges der Wechselspannung auf. Wenn der Schalter 7 geschlossen wird, wird der Erregungsstrom iex von dem Wechselstromenergiesystem 8 zugeführt und eine Sinusspannung VAC mit einer geringen Spannungsverzerrung wird aufrechterhalten.
Wenn jedoch der Schalter 7 geöffnet wird, wenn die Differenz Δ Q Null ist und die Differenz Δ P ungefähr Null ist, ist das Ergebnis, daß der Erregungsstrom iex des Transformators von dem Wechselrichter 2 und der Last 9 empfangen wird. Da die Differenz Δ Q Null ist, ist die Energie im Gleichgewicht, wenn der Leistungsfaktor 1 ist, und so ist die Differenz Δ P gerade die geringe Sinuswellenkomponente, die in Fig. 3(b) dargestellt ist, und es ist nicht möglich, eine zufriedenstellende Spitzenstromzufuhr in der Nähe des Nulldurchganges der Spannung zu bewirken. Als Ergebnis fällt die Spannung und die Verzerrung steigt in der Nähe des Nulldurchganges der Spannung, wie dies durch die Spannung VAC angezeigt ist, die durch eine gestrichelte Linie in Fig. 3(b) dargestellt ist.
Diese Verzerrung wird durch den Verzerrungsdetektionsschaltkreis 27 und den Verzerrungsänderungsdetektionsschaltkreis detektiert, um die Möglichkeit eines Inselns zu detektieren. Der Verzerrungsänderungsdetektor 33 legt nämlich den invertierten Wert (-β) des detektierten Wertes der Verzerrungsänderung an den Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 an, der die Koeffizientenwerte F1 und F2 basierend auf dem invertierten Wert (-β) einstellt. Der Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 gibt das Signal V&sub3;&sub1; mit der Phase und dem Gewinn aus, die durch die Koeffizientenwerte F1 und F2 basierend auf den in Fig. 2 dargestellten Charakteristiken bestimmt worden sind.
Hier sind die horizontale Achse F1 der Gewinncharakteristik und die horizontale Achse F2 der Phasencharakteristik in Fig. 2 in negative Richtung verschoben, und das Energiegleichgewicht ist gebrochen, die Frequenz und die Spannung sind dazu gebracht zu fluktuieren, und der Inverter wird durch Betrieb des Spannungsrelais 17 und des Frequenzrelais 18 angehalten.
Es ist besser, die horizontale Achse F2 an die Richtung von f + α (df/dt) anzupassen, aber für den Fall, daß f + α (df/dt) = f&sub0; ist, ermöglicht es ein Verschieben der Frequenz zu der unteren Seite durch Einstellen von F2 = -β, daß das Gleichgewicht beim Inseln in Bezug auf die Motorlast schneller gebrochen werden kann.
Es ist ferner möglich, daß der Wechselrichter 2 über den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 direkt durch das Verzerrungsrelais 32 angehalten wird, wenn das Ausgangssignal V&sub2;&sub7; des Verzerrungsdetektionsschaltkreises 27 größer wird als ein eingestellter Wert, und nicht über den Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 und den Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31.
Wenn eine Erhöhung der Verzerrung durch den Verzerrungsänderungsdetektionsschaltkreis 33 detektiert wird und die horizontale Achse F1 verschoben wird, ändert sich die Stromreferenz I*. Das Änderungsverhältnis dV/dI* wird durch den Spannungsänderungsverhältnis (dV/dI*)-Schaltkreis 29 detektiert. Es ist ferner möglich, einen Schaltkreis hinzuzufügen zum Brechen des Gleichgewichtes durch Bewirken einer positiven Rückkopplung auf die horizontale Achse F1, wenn das Änderungsverhältnis dV/dI* einen eingestellten Wert in einem Inselzustand überschreitet.
Wenn die Phase verändert wird, ist es besser, die Spannungsfluktuation in Bezug zu dem Wirkstrom dV/dI* cosø(cosø = Leistungsfaktor) zu detektieren. Obwohl dies in dem Schaltkreis gemäß Fig. 1 nicht dargestellt ist, wird dieselbe Wirkung erzielt, indem der detektierte Strom I anstelle der Stromreferenz I* verwendet wird.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel steigt oder fällt die Frequenz geringfügig, wenn der Wechselrichter 2 während des Betriebes bei mit dem Wechselstromenergiesystem 8 verbundenem Wechselrichter. 2 getrennt wird, falls ein Ungleichgewicht vorliegt, sogar bei einem nur geringfügigen Ungleichgewicht, zwischen der Blindleistung des Wechselrichterausgangssignales und der Blindleistung der Last. Diese Verschiebung der Frequenz wird detektiert, und eine Steuerung wird in einer solchen Weise bewirkt, daß, falls die Frequenz angestiegen ist, die Phase des Wechselrichterstromes nach vorne geschoben wird, um eine weitere Erhöhung der Frequenz zu verursachen, während, wenn die Frequenz gefallen ist, die Stromphase verzögert wird und eine Abweichung in Richtung auf eine Verringerung der Frequenz bewirkt wird.
Wenn sich die Frequenz weiter von dem veranschlagten Wert entfernt, wird ein Abfall in der Spannung beschleunigt, indem der Wert des Wechselrichterstromes abgesenkt und die Zufuhr an Wirkleistung verringert wird.
Da sich weder die Spannung noch die Frequenz ändert, wenn die Wirkkomponenten und die Blindkomponenten der Leistungen perfekt im Gleichgewicht stehen, wird eine Erhöhung der Spannungswellenformverzerrung detektiert und eine Bewegung von einem im Gleichgewicht befindlichen Zustand zu einem abweichenden Betrieb wird durch Verändern der Größe und der Phase des Stromes erzielt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann dem Inseln zuverlässiger vorgebeugt werden.
Als nächstes wird das Detail des Koeffizienten- Einstellschaltkreises 30 beschrieben.
Der Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 gibt die Koeffizientenwerte F1 und F2 durch Gewichtung der Eingangswerte V&sub2;&sub4;, -β und dV/dI* aus. Die Fälle, in denen F1 = V&sub2;&sub4; und F2 = V&sub2;&sub4; sowie der Fall, indem F1 = -β und F2 = -β sind, sind beschrieben worden.
Im allgemeinen werden die Eingangswerte entsprechend der folgenden Rangordnung gewichtet:
(1) eine Frequenz f (ein Ausgangswert V&sub2;&sub4;, wobei α = 0)
(2) ein Frequenzänderungsverhältnis (ein Ausgangswert V&sub2;&sub4;, wobei α ≠ 0)
(3) ein Wechselrichterwert (-β) eines Verzerrungsänderungsverhältnisses
(4) ein Änderungsverhältnis dV/dI*
Als erstes wird F1 = f und F2 = f eingestellt und der Wechselrichter 2 basierend auf den auf diese Weise eingestellten Werten gesteuert. In diesem Fall wird bestätigt, ob oder ob nicht eine Abnormalität innerhalb einer eingestellten Zeit nach dem Öffnen des Schalters 7 detektiert werden kann. Wenn die Abnormalität innerhalb der eingestellten Zeit detektiert wird, wird die Einstellung von F1 = f und F2 = f entschieden.
Wenn die Abnormalität nicht innerhalb der eingestellten Zeit detektiert wird, wird ein nächster Schritt versucht. Im einzelnen wird eingestellt, daß
F1 = V&sub2;&sub4;(f + α df/dt)
und
F2 = V&sub2;&sub4;(f + α df/dt)
und dieselbe Bestätigung wie oben beschrieben wird vorgenommen. Wenn die Abnormalität nicht innerhalb einer eingestellten Zeit detektiert wird, wird ein nächster Schritt versucht, bei dem die Koeffizientenwerte F1 und F2 durch Addieren des invertierten Wertes (-β) mit Gewichten auf die zuvor eingestellten Koeffizientenwerte F1 und F2 eingestellt werden, dann wird dieselbe Bestätigung vorgenommen.
Wenn die Abnormalität noch innerhalb der eingestellten Zeit detektiert wird, wird ausschließlich der Koeffizientenwert F1 eingestellt durch Addieren des Änderungsverhältnisses dV/dI* mit einem Gewicht auf den zuvor eingestellten Koeffizientenwert F1. Danach wird dieselbe Bestätigung vorgenommen.
Im einzelnen ist es ausreichend, daß die Koeffizientenwerte F1 und F2 in dem Zustand eingestellt werden, in dem verschiedene Gewichte ausgewählt sind, und daß die Bestätigung, ob oder ob nicht die Abnormalität innerhalb der eingestellten Zeiten detektiert werden kann, mit einem gut bekannten Simulationsverfahren vorgenommen wird.
Es ist möglich, F1 = -β und F2 = -β im wesentlichen dadurch auszuwählen, daß der Gewichtswert als spezifischer Wert ausgewählt wird. Es ist auch möglich, die Koeffizientenwerte F1 und F2 nicht durch eine Kombination der Eingangswerte f, df/dt, -β und dV/dI* einzustellen, sondern durch einen einzelnen Wert der Eingangswerte. Die Fälle sind oben beschrieben, bei denen die Priorität bezüglich der Zeit durch Einstellen der Koeffizientenwerte F1 und F2 gegeben ist. Es ist ferner möglich, die Koeffizientenwerte F1 und F2 basierend auf einer Mehrzahl von Eingangswerten gleichzeitig unter Verwendung einer Fuzzy-Steuerung zu bestimmen.
Die Funktion des Koeffizienten-Einstellschaltkreises 30 ist wie oben beschrieben; sie kann durch den Fachmann in einfacher Weise durch einen Mikrocomputer oder eine Kombination gut bekannter Hardwarekomponenten implementiert werden. Die detaillierte Beschreibung des Aufbaus des Koeffizienten-Einstellschaltkreises 30 kann daher weggelassen werden.
Als nächstes wird das Detail des Phasen/Gewinn- Einstellschaltkreises 31 beschrieben.
Der Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 stellt den Gewinn und die Phase für die Stromreferenz I* basierend auf den durch den Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 eingestellten Werten F1 und F2 ein und gibt das Sinuswellensignal V&sub3;&sub1; basierend auf dem Einstellergebnis aus. Der Fall, bei dem die Phase und der Gewinn, wie in Fig. 2 eingestellt sind, ist bereits beschrieben worden.
Im allgemeinen wird die Phase eingestellt, um sie in einer Richtung zu verschieben, um die Frequenz basierend auf dem Eingangskoeffizientenwert F2 zu verändern.
Im einzelnen wird in dem Fall, daß der Koeffizientenwert F2 gleich einer Frequenz f gesetzt wird, die Phase so eingestellt, daß sie nach vorne geschoben oder verzögert wird in Übereinstimmung mit dem Anstieg oder dem Abfall der Frequenz.
In dem Fall, daß der Koeffizientenwert F2 das Frequenzänderungsverhältnis df/dt enthält, wird die Phase derart eingestellt, daß die Phase vorgeschoben oder verzögert wird entsprechend dem Anstieg oder Abfall des Frequenzänderungsverhältnisses df/dt.
Als nächstes wird der Fall beschrieben, bei dem der Koeffizientenwert F2 den invertierten Wert (-β) des Verzerrungsänderungsverhältnisses enthält. Wenn das Frequenzänderungsverhältnis Null ist und sich die Verzerrung in der Richtung einer Erhöhung ändert, wird die Phase so eingestellt, daß sie verzögert wird, um auf diese Weise die Frequenz basierend auf dem Koeffizientenwert F2 zu verringern. Wenn sich jedoch die Frequenz erhöht oder das Frequenzänderungsverhältnis positiv ist, wird die Phase so eingestellt, daß sie vorgeschoben wird, um auf diese Weise die Frequenz zu erhöhen.
Was den Gewinn betrifft, so wird dieser basierend auf dem Koeffizientenwert F1 eingestellt. Beispiele der Einstellung des Gewinns sind in Fig. 2(a) und Fig. 4(b) dargestellt.
Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß der Gewinn so eingestellt wird, daß er sich verringert, so daß auf diese Weise der Wechselrichterstrom sich verringert, wenn die Frequenzabweichung groß wird.
Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann in modifizierter Form umgesetzt werden, wie dies nachfolgend beschrieben ist.
(1) Trotz des Falles, bei dem die horizontalen Achsen F1 und F2 um den Ausgangswert V&sub2;&sub4; f + α (df/dt) in dem Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verschoben werden, ist es ebenso möglich, die Achsen F1 und F2 um einen Wert (A(f - f&sub0;) + f&sub0; + α (df/dt)) (A ist ein Koeffizient) zu verschieben. Wenn A = 0 gesetzt wird, wird die Phase nur dann verschoben, wenn sich die Frequenz ändert, und in normalen Situtationen ist es möglich, einen Betrieb mit einem Leistungsfaktor = 1 zu erhalten unabhängig von der Frequenz f. Es ist auch möglich, Anpassungen vorzunehmen, beispielsweise Multiplizieren der Frequenzänderungsverhältnisrückkopplung mit einem Zeitkoeffizienten, um zu der Antwortzeit des Wechselstromenergiesystems 8 zu passen usw.
(2) Es ist nicht erforderlich zu erläutern, daß es möglich ist, viele Variationen in Bezug auf die Phasencharakteristik vorzunehmen, beispielsweise als Verbesserung des Leistungsfaktors während des normalen Be triebes, indem die Änderungsrate des Phasenwinkels θ in dem normalen Betriebssystembereich F&sub5; - f&sub0; - f&sub4; gering (oder Null) gemacht wird und die Rate der Änderung des Phasenwinkels θ außerhalb dieses Bereiches groß gemacht wird, wie dies in Fig. 4(a) dargestellt ist.
Es ist ferner möglich, einer Verschlechterung des Leistungsfaktors dadurch vorzubeugen, daß die Änderung des Phasenwinkels θ in der Nähe der veranschlagten Frequenz groß gemacht wird und daß oberhalb dieser Änderung Änderungen einer Begrenzung unterworfen werden, wie dies in Fig. 4(c) dargestellt ist.
(3) Es ist ferner möglich, eine Variation für die in dem Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 eingestellte Gewinncharakteristik zu haben, wobei, wie in Fig. 4(b) dargestellt, Kurven, beispielsweise x, y, z usw. vorbereitet sind und eine Verschiebung von der Kurve x zu der Kurve z in Übereinstimmung mit Änderungen in dem Wert dV/dI* cosø oder mit einer Zeitfunktion bewirkt werden.
(4) Der Steuerschaltkreis gemäß Fig. 1 ist unter Verwendung eines Mikroprozessors und eines Speicherschaltkreises einfach herstellbar. Im einzelnen können durch den Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 eingestellte Charakteristiken, die zu denen des Bandpaßfilters 16 in Bezug auf den Gewinn ähnlich sind, bei denen jedoch die Phasencharakteristik vollständig invers ist, frei in einem Speicherschaltkreis abgespeichert werden. Bei einem analogen Schaltkreis kann dies erreicht werden, indem getrennter Gebrauch von einer Bandpaßfiltercharakteristik und einer Bandsperrenphasencharakteristik gemacht wird.
(5) In Fig. 1 bilden die Frequenz, das Frequenzänderungsverhältnis, der Wert dV/dI* und Verzerrungsänderungen usw. Eingangssignale in den Koeffizienten- Einstellschaltkreis 30, aber es ist nicht erforderlich, zu erläutern, daß sie in beliebiger Weise kombiniert werden können und daß Änderungen der Verzerrung durch Änderungsverhältnisse höherer Harmonischer detektiert werden können.
(6) In Fällen, bei denen eine Wechselrichterleistungsfaktorsteuerung zur Spannungsstabilisierung eingeschlossen ist, kann die Steuerung mit einer Addition der Phasencharakteristiken gemäß Fig. 2 zu den Leistungsfaktorsteuerwinkeln bewirkt werden.
In diesem Fall ist es bevorzugt, die Leistungsfaktorsteuerung zu halten, wenn das Verzerrungsverhältnis sich erhöht oder der Wert dV/dI* cosø einen eingestellten Wert überschreitet.
(7) Der Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 gemäß Fig. 1 kann selbstverständlich durch Verwendung des Filters realisiert werden, das die in Fig. 5 und 6 dargestellten Charakteristiken aufweist. In diesem Fall gibt der Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 die Frequenz f als die Koeffizientenwerte F1 und F2 zu dem Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 aus.
Die Charakteristiken gemäß Fig. 5 und Fig. 6 sind einfach erzeugbar durch Verwendung analoger Filtertechnologie (insbesondere von Schaltkondensatorfiltern). Beispielsweise ist es möglich, die Phasen- und Gewinncharakteristik V16b gemäß Fig. 5(b) durch Verwendung eines einzelnen LTC1060-IC der Linear Technology Company zu verwenden, um ein Bandpaßfilter 16a und ein Bandsperrenfilter 16b, die die in Fig. 5(b) dargestellten Gewinncharakteristiken 16a bzw. 16b aufweisen, gemäß Fig. 5(a) in Reihe zu verbinden. In diesem Fall stellt der Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis den Gewinn durch die Gewinncharakteristiken eines Ausgangssignals V16a und die Phase durch die Phasencharakteristiken eines Ausgangssignales V16d ein und erzeugt das einzelne V&sub3;&sub1; basierend auf dem auf diese Weise eingestellten Gewinn und der auf diese Weise eingestellten Phase.
Ferner ist es nicht erforderlich zu erläutern, daß die Charakteristiken, wie sie in Fig. 6(b) dargestellt sind, erhalten werden können, indem Bandpaßfilter 16(c) und 16(d) mit Gewinncharakteristiken 16(c) und mit leicht unterschiedlichen Mittenfrequenzen (f&sub1; und f&sub2;), wie in Fig. 6(b) dargestellt, in Reihe miteinander verbunden werden, wie in Fig. 6(a) dargestellt. Das Bandpaßfilter 16a weist f&sub0; als seine Mittenfrequenz auf. In diesem Fall stellt der Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 den Gewinn und die Phase durch die Gewinn- und Phasencharakteristiken des Ausgangs von V16a bzw. eines Ausganges von V16d ein und erzeugt das Signal V&sub3;&sub1; basierend auf dem auf diese Weise eingestellten Gewinn und der auf diese Weise eingestellten Phase.
Es ist ferner möglich, die Phasen- und Gewinncharakteristiken zu erhalten, indem die Ausgangssignale der Bandpaßfilter 16c und 16d addiert werden und die Charakteristiken zum Einstellen der Phase und des Gewinnes in dem Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 verwendet werden.
Es ist ferner möglich, die Charakteristiken des Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreises 31 zu den Charakteristiken des Bandpaßfilters 16 hinzuzufügen.
(8) Es ist nicht erforderlich zu erläutern, daß sich die grundsätzliche Betriebsweise sogar dann nicht ändert, wenn die Einstellung des Gewinns des Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreises 31 gemäß Fig. 1 konstant gemacht wird.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine Wechselrichterschutzvorrichtung vorzusehen, bei der einem Inseln mit guter Zuverlässigkeit vorgebeugt ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht einem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Frequenz V&sub2;&sub2; (f), die durch den Frequenzdetektionsschaltkreis 22 detektiert wird, ein Eingangssignal für den Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 über den Rechenschaltkreis 24 bildet, der Koeffizienten-Einstell schaltkreis 30 den Koeffizientenwert F2 (= f) ausgibt und der Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31 nur die Phase basierend auf dem Koeffizientenwert F2 ausgibt, wobei der Gewinn 1 bleibt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechselrichterschutzvorrichtung wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
In Fig. 7 wird die an die Last 9 angelegte Wechselspannung V&sub1; durch den Spannungsdetektor 10 detektiert, und ein mit der Wechselspannung V&sub1; synchronisiertes Signal SY wird durch einen PLL (phase locked loop)- Schaltkreis 42 erhalten.
Ein Frequenzdetektionsschaltkreis 45 detektiert die Frequenz f der Wechselspannung V&sub1; von dem Signal SY, und ein Funktionsgenerator 44 generiert ein Signal θ entsprechend der Frequenz f. Das Detail des Funktionsgenerators 44 wird später beschrieben. Ein Phasenverschiebungsschaltkreis 43 gibt ein Synchronisationssignal SYX aus, dessen Phasenänderungen von dem Signal θ abhängen. In diesem Fall ist dann, wenn die Wechselspannung V&sub1; die veranschlagte Frequenz hat, das Synchronisationssignal SYX mit einer solchen Phase, daß der Leistungsfaktor praktisch 1 ist, das Ausgangssignal.
Eine mit der Wechselspannung V&sub1; synchronisierte Sinuswelle wird durch einen Sinuswellenschaltkreis 46 durch den Phasenverschiebungsschaltkreis 43 von diesem einzelnen SY erhalten und an den Stromreferenzschaltkreis 12 angelegt. Auf diese Weise ist eine sinuswellenförmige Stromreferenz I*, die eine zu dem Ausgangssignal Vc des Verstärkers 11 proportionale Amplitude aufweist und mit der Wechselspannung V&sub1; synchronisiert ist, ein Ausgangssignal aus dem Stromreferenzschaltkreis 12.
Ein Beispiel eines Funktionsgenerators 44 ist in Fig. 8 dargestellt.
(a) stellt den Fall dar, bei dem die Phase in Proportion zu dem Anstieg bzw. Abfall in der Frequenz mit Bezug zu der veranschlagten Frequenz f&sub0; vorgeschoben oder verzögert und auf einen festen Grenzwert begrenzt wird.
Wenn sich die Frequenz der Energiequelle von der veranschlagten Frequenz f&sub0; entfernt, weicht der Leistungsfaktor von 1 ab; wenn jedoch das Wechselstromenergiesystem 8 mit dem Wechselrichter 2 verbunden ist, so ist die Änderung in der Frequenz sehr klein, so daß der Leistungsfaktor praktisch 1 bleibt.
(b) Dies stellt das Verfahren dar, bei dem die Phase sich in der Nähe der veranschlagten Frequenz f&sub0; nicht ändert, so daß der Leistungsfaktor 1 ist; wenn jedoch die Frequenz mehr als einen festen Wert von der veranschlagten Frequenz f&sub0; abgewichen ist, so wird eine Phasenverschiebung durchgeführt.
(c) zeigt das Verfahren, bei dem die Änderung in der Phase in der Nähe der veranschlagten Frequenz gering ist, bei dem jedoch dann, wenn die Frequenz von der veranschlagten Frequenz f&sub0; mehr abweicht, die Phasenverschiebung vergrößert wird.
(d) Dies zeigt das Verfahren, bei dem die Phase in der Nähe der veranschlagten Frequenz f&sub0; unverändert ist, so daß ein Strom mit einem Leistungsfaktor von 1 das Ausgangssignal aus dem Wechselrichter bildet. Wenn jedoch die Frequenz von der veranschlagten Frequenz f&sub0; um mehr als einen festen Wert abweicht, wird eine feste Phasenverschiebung angewandt.
Verschiedene andere Verfahren sind möglich.
Das Ausgangssignal des Spannungsdetektors 10 (im allgemeinen wird ein Transformator verwendet) wird an das Spannungsrelais 17, das Frequenzrelais 18 und ein Frequenzänderungsverhältnisrelais 47 angelegt, das die Höhe der Änderung der Frequenz detektiert. Die Ausgangssignale der drei Relais 17, 18 und 47 werden an den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 angelegt, der Abnormalität detektiert und den Inverter durch Abschalten des Treiberabschnitts 15 außer Betrieb setzt.
Bei dem obigen Layout soll der Fall betrachtet werden, bei dem der Schalter 7 in dem Zustand geöffnet ist, in dem sich der Strom in der Last 9 und der Wechselrichterausgangsstrom praktisch im Gleichgewicht befinden.
Der Ausgangsstrom des Wechselrichters, wie er im wesentlichen in Fig. 9(c) dargestellt ist, weist einen Leistungsfaktor von ungefähr 1 auf. Dies bedeutet, daß er derart gesteuert ist, daß die Spannung V und der Wechselrichterstrom IINV im wesentlichen phasengleich sind.
In dem Fall, daß die Last 9 einen induktiven Leistungsfaktor hat und eine Induktivität L aufweist, wie in Fig. 9(a) dargestellt, wird die Frequenz erhöht, damit der Wechselrichterausgangsstrom und der Laststrom im Gleichgewicht betrieben werden. Ein Arbeitsgang wird in der Richtung bewirkt, daß die Frequenz der Wechselspannung erhöht wird, um den durch die Induktivität L fließenden Strom zu verringern. Während dieses Ablaufes detektiert der Frequenzdetektionsschaltkreis 45 den Anstieg in der Frequenz und arbeitet, um die Stromphase des Wechselrichters leicht nach vorn zu schieben. Wenn dies geschieht, liegt ein positiver Eingriff vor, um die Frequenz der Wechselstromenergiequelle zu erhöhen, um einen Gleichgewichtszustand zwischen dem Laststrom und dem Wechselrichterstrom zu erzeugen. Das Frequenzrelais 18 und das Frequenzänderungsverhältnisrelais 47 detektieren die schnelle Erhöhung in der Frequenz der Wechselstromenergiequelle. Der Wechselrichter 2 wird dann durch den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 außer Betrieb gesetzt. Im einzelnen arbeitet die Vorrichtung bei einer Last mit einem induktiven Leistungsfaktor positiv, um ein Gleichgewicht durch Zuführen eines Vorwärtsstromes zu zerstören.
Als nächstes fällt im Falle eines kapazitiven Leistungsfaktors, bei dem die Last 9 eine Kapazität C aufweist, wie in Fig. 9(b) dargestellt, die Frequenz, um den Wechselrichterausgangsstrom und den Laststrom im Gleichgewicht zu betreiben, und es vollzieht sich eine Verschiebung, um den Stromfluß in dem Kondensator 9 zu verringern, um eine Last mit einem Leistungsfaktor 1 anzunähern.
Wenn der Frequenzdetektionsschaltkreis 45 den Abfall in der Frequenz detektiert, wird der Phasenverschiebungsschaltkreis 43 betätigt, um die Phase des Wechselrichterstromes zu verzögern. Daraufhin ergibt sich ein weiterer Abfall in der Frequenz, und die Phase der Spannung des Kondensators C wird verzögert. Dies bedeutet, daß sich eine positive Wirkung vollzieht, um die Frequenz zu verringern, wobei dadurch ein schneller Abfall in der Frequenz der Wechselstromenergiequelle erzeugt wird. In anderen Worten geht das Gleichgewicht schnell verloren, indem einer Last mit einem kapazitiven Leistungsfaktor ein induktiver Strom zugeführt wird.
Dies wird durch das Frequenzrelais 18 und das Frequenzänderungsverhältnisrelais 27 detektiert, die den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 veranlassen, den Wechselrichter 2 außer Betrieb zu setzen.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß im Falle einer Last mit einem Leistungsfaktor von 1 dann, wenn sich der Wechselrichterausgangsstrom und der Laststrom nicht im Gleichgewicht befinden, die Spannung abnormal wird, was durch das Spannungsrelais 17 detektiert wird, das den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 veranlaßt, den Wechselrichter 2 außer Betrieb zu setzen.
Als nächstes sei der Fall gemäß Fig. 9(d) betrachtet, bei dem ein Induktionsmotor IM, für den die Detektion eines Inselns zuvor als am schwierigsten betrachtet wurde, als Last 9 verbunden ist. Der äquivalente Schaltkreis in diesem Fall wird durch eine Parallelschaltung einer Erregungsinduktivität l&sub0; und des Sekundärwiderstandes r&sub2; des Induktionsmotors dividiert durch den "Schlupf" S angenähert. Die Spannungs- und Stromvektoren sind dann so, wie in Fig. 9(e) dargestellt. Der Strom 12 ist der Drehmomentteilstrom und der Strom 10 ist der Flußteilstrom.
Die Frequenz der gegenelektromotorischen Kraft des Induktionsmotors IM ist proportional zu der Frequenz (f-fs) (wobei fs die "Schlupf"-Frequenz ist), d. h. sie ist proportional zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des Induktionsmotors IM (f ist die Frequenz der Energiequele). Dementsprechend ist dann, wenn der Strom durch den Schalter 7 unterbrochen wird, die Frequenz der Wechselstromenergiequelle (f-fs).
Wenn diese Frequenz detektiert wird, ist sie geringer als die Frequenz der Energiequelle, so daß ein nacheilender Strom das Ausgangssignal aus dem Wechselrichter 2 durch den Phasenverschiebungsschaltkreis 43 bildet. Ein Strom i, der von dem gemäß Fig. 9(e) verzögert wird, fließt daher zu dem Induktionsmotor IM. Im Ergebnis wird der Drehmomentteilstrom 12 verringert oder wird negativ, so daß der Motor IM verlangsamt wird. Dies wirkt als positive Rückkopplung, so daß die Frequenz der Wechselstromenergiequelle von der freilaufenden Frequenz schnell abfällt und das Frequenzrelais veranlaßt, den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 zu betätigen, um den Wechselrichter 2 außer Betrieb zu setzen.
Wie oben beschrieben wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Frequenzänderung durch Verschiebung der Stromphase des Wechselrichters 2 in der Richtung erhöht, um eine Frequenzänderung beim Inseln zu fördern. Diese Änderung wird durch das Frequenzrelais oder das Frequenzänderungsverhältnisrelais 47 detektiert, und der Wechselrichter 2 wird hierdurch außer Betrieb gesetzt. Auf diese Weise kann eine Wechselrichterschutzvorrichtung erhalten werden, bei der einem Inseln schnell vorgebeugt werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Ein Filterschaltkreis 16 ist vor dem PLL-Schaltkreis gemäß Fig. 7 eingesetzt, und ein Filterphasenkorrekturschaltkreis 48 ist vorgesehen, der die Höhe der Phasenverschiebung korrigiert, die durch den Filterschaltkreis 16 in dem erforderlichen Frequenzbereich erzeugt wird.
Ferner ist ein Addiererschaltkreis 46 vorgesehen, der das Ausgangssignal des Filterphasenkorrekturschaltkreises 48 und das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 44 addiert. In diesem Falle kann genau dieselbe Wirkung erzielt werden wie in Fig. 7, indem die Frequenz mittels des Frequenzdetektionsschaltkreises 45 detektiert wird und mittels des Phasenverschiebungsschaltkreises 43 basierend auf dem Ausgangssignal des Addiererschaltkreises 29 eine Phasenverschiebung angewandt wird.
Dieselbe Anwendung wie in dem Fall, bei dem eine Detektion durch das Nulldurchgangsverfahren ausgeführt wird, kann selbstverständlich auch ohne den PLL-Schaltkreis in Fig. 10 erzielt werden. Wenn das Nacheilen der Phase des Filters in dem Benutzungsbereich gering ist, kann auf den Filterphasenkorrekturschaltkreis 48 selbstverständlich verzichtet werden.
Ferner kann die Genauigkeit der Detektion des Inselns erhöht werden, indem ein Verzerrungsratendetektionsschaltkreis als Eingang an dem Abnormalitätsdetektionsrelais 19 hinzugefügt wird.
Der Schaltkreis zum Nach-vorne-Schieben und Verzögern der Phase beim Ansteigen oder Abfallen der Frequenz kann als Bandsperrenfilter ausgebildet sein, das die Charakteristik gemäß Fig. 11 aufweist. Dieses kann als der Funktionsgenerator 44 verwendet werden. Für die praktische Benutzung kann das Frequenzrelais 18 derart verwendet werden, daß es das Inseln bei beispielsweise ± 1 Hz von der veranschlagten Frequenz identifiziert. Es ist daher ausreichend, die Phase innerhalb dieses Bereiches nach vorne zu schieben oder zu verzögern.
In Fig. 7 wird die Phase der Wechselspannung V&sub1; durch den PLL-Schaltkreis 42 detektiert. Das Ausgangssignal SY wird an den Phasenverschiebungsschaltkreis 43 und den Frequenzdetektionsschaltkreis 45 angelegt. Diese Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Es ist möglich, daß die Phasenverschiebung in dem PLL-Schaltkreis 42 bewirkt wird, wie in Fig. 12 dargestellt.
Im allgemeinen ist der PLL-Schaltkreis 42A so aufgebaut wie unten beschrieben. Ein Phasendifferenzdetektionsschaltkreis 42A detektiert die Phasendifferenz zwischen der Wechselspannung V&sub1; und dem Ausgangssignal SYX eines 1/N-Zählers 42d. Ein Integrator 42b integriert die Phasendifferenz in positiver oder negativer Polarität abhängig von der voreilenden oder nacheilenden Phasendifferenz und erzeugt ein Signal S42b. Ein Spannungs-Frequenz-Wandler 42c erzeugt eine Frequenz S42c, die zu dem Signal S42b proportional ist. Der 1/N- Zähler 42d zählt die Frequenz S42c herunter, um das Signal SYX zu erzeugen. Auf diese Weise bildet der PLL- Schaltkreis eine PLL, bei der die Phase des Signales V&sub1; die gleiche ist wie diejenige des Signales SYX.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, ist der Frequenzdetektionsschaltkreis 45 direkt mit dem Spannungsdetektor 10 verbunden und detektiert die Frequenz f der Wechselspannung V&sub1;. Der Funktionsgenerator 44 erzeugt das Signal θ entsprechend der Frequenz f, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7. Das Signal θ bildet ein Eingangssignal für den Integrator 42b in dem PLL- Schaltkreis 42a. Der Integrator 42b addiert das Signal θ und die Phasendifferenz, die durch den Phasendifferenzdetektionsschaltkreis 42a angelegt wird, und führt die oben beschriebene Integration basierend auf dem Additionsergebnis aus.
Das Ausgangssignal SYX des PLL-Schaltkreises 42a wird dann an den Sinuswellenschaltkreis 46 angelegt, um die Phase des Ausgangssignales zu verändern.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 kann in das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 geändert werden. In Fig. 13 ist ein Integrator 42e zwischen dem Funktionsgenerator 44 und dem PLL-Schaltkreis 42b vorgesehen. Ein Ausgangssignal S42e des Integrators 42e bildet ein Eingangssignal für den Spannungs-Frequenz-Wandler 42c, der die Frequenz S42c proportional zu dem addierten Wert des Signales S42b und des Signales S42e erzeugt. Es ist leicht verständlich, daß dieselbe Wirkung wie in Fig. 12 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 erzielt werden kann.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der PLL-Schaltkreis 42, der Phasenverschiebungsschaltkreis 43, der Frequenzdetektionsschaltkreis 45, der Sinuswellenschaltkreis 36 und das Frequenzänderungsratenrelais 47 usw. dem Fachmann gut bekannt. Eine detaillierte Beschreibung ihrer Schaltkreiskonstruktionen kann daher weggelassen werden.
Ferner ist es für den Fachmann basierend auf der Beschreibung von Fig. 8 einfach, den Funktionsgenerator 44 aufzubauen, so daß die detaillierte Beschreibung seiner Konstruktion ebenfalls weggelassen werden kann.
Bei den Ausführungsbeispielen dieser Erfindung wird dann, wenn die Frequenz der Wechselstromenergiequelle über den veranschlagten Wert ansteigt, eine derartige Wirkung erzielt, daß die Stromphase des Wechselrichters 2 nach vorne geschoben wird, um die Frequenz weiter anzuheben. Wenn die Frequenz unter den veranschlagten Wert fällt, so wird eine derartige Wirkung erzielt, daß die Stromphase des Wechselrichters 2 verzögert wird und dadurch die Frequenz weiter gesenkt wird. Auf diese Weise wird das Energiegleichgewicht zerstört. Als Ergebnis wird der Wechselrichter 2 als Antwort auf eine Frequenz- oder Spannungsabnormalität außer Betrieb gesetzt. Dadurch kann eine Wechselrichterschutzvorrichtung vorgesehen sein, bei der der Schutz dadurch erreicht wird, daß schnell und zuverlässig ein Inseln detektiert wird.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt die Details des Verzerrungsdetektors 27 und des Verzerrungsänderungsdetektors 33 und ferner ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Inverterschutzvorrichtung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Inverterschutzvorrichtung ist in Fig. 14 dargestellt.
Ein Differenzierschaltkreis 52 detektiert die Rate der Änderung der Spannung der Wechselspannung auf der Lastseite, die durch den Spannungsdetektor 10 detektiert wird. Eine Nulldurchgangsdetektionseinheit 53 detektiert den Nulldurchgangszeitpunkt der Wechselspannung auf der Lastseite von dem Ausgang des Filters 16. Eine Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 detektiert den Inselzustand von der Wechselspannung und der Rate der Änderung der Wechselspannung auf der Lastseite zu vorbestimmten Zeitpunkten vor und nach dem Nulldurchgangszeitpunkt. Ein Funktionsgenerator 55 gibt ein Zeitfunktionssignal Vf zum Ändern der Ausgangsleistung des Wechselrichters 2 als Antwort auf einen Befehl von der Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 aus. Ein Multiplizierer 56 gibt das Ergebnis der Multiplikation des Ausgangssignales Vc des Verstärkers 11 und des Ausgangssignales Vf des Funktionsgenerators 55 aus. Der Stromreferenzschaltkreis 12 gibt die Stromreferenz I* aus, die durch Multiplikation des Ausgangssignales des Multiplizierers 56 mit dem Sinuswellensignal Vf, das das Ausgangssignal des Filters 16 ist, erhalten wurde.
Es sei nun der Fall betrachtet, bei dem der Schalter 7 bei der obigen Konstruktion geöffnet wird, wenn der Wechselrichterausgangsstrom der Last 9 sich im Gleichgewicht befindet.
Der Wechselrichterausgangsstrom ist einer Strom steuerung mit einem hohen Leistungsfaktor (Leistungsfaktor = 1) unterworfen, so daß er einen Sinuswellenstrom der gleichen Phase wie derjenigen der Wechselspannung abgibt. Daher tritt bei einer Last mit einem Leistungsfaktor von 1 dann, wenn der Laststrom sich mit dem Wechselrichterausgangsstrom im Gleichgewicht befindet, sogar beim Öffnen des Schalters 7 kaum eine Änderung in der Spannung oder der Frequenz der Wechselspannung auf.
Bei der Kerncharakteristik des Transformators 6 (typischerweise ein Masttransformator), wie sie in Fig. 15a dargestellt ist, befindet sich der magnetische Fluß ø in nichtlinearer Beziehung zu dem Erregungsstrom. Im einzelnen wird ein Masttransformator mit einer ziemlich hohen magnetischen Flußdichte verwendet. Daher wird zum Erzeugen eines sinuswellenförmigen magnetischen Flusses ein Erregungsstrom angewandt, der einen hohen Spitzenwert aufweist und sich von einer Sinuswelle unterscheidet.
Dementsprechend ist dann, wenn eine Sinuswellenspannung an den Masttransformator 6 angelegt wird, die Beziehung zwischen der Spannung des Masttransformators und dem Erregungsstrom so wie in Fig. 15c dargestellt. Im einzelnen fließt ein hoher Erregungsstrom in der Nähe des Nulldurchgangs der Spannung.
Wenn der Schalter 7 offen ist, könnte man denken, daß der Erregungsstrom des Transformators 6 von dem Sinuswellenstrom mit Leistungsfaktor 1, der von dem Wechselrichter 2 geliefert wird, abzweigen würde.
Wenn sich jedoch die Lastenergie und die Wechselrichterausgangsenergie im Gleichgewicht befinden, wie dies in Fig. 16(a) dargestellt ist, wird ein Sinuswellenstrom mit Leistungsfaktor 1 geliefert, so daß in der Nähe des Nulldurchganges ein ausreichender Erregungsstrom, wie in Fig. 15(c) dargestellt, nicht erreicht werden kann. Dies führt zu einer Verzerrung der Spannungswellenform. Im einzelnen ist in der Nähe des Null durchganges die Spannung niedriger als eine Sinuswellenspannung. Der Vergleichs- und Entscheidungsschaltkreis 54 identifiziert den Zustand des Inselns aus der Verzerrung der Spannungswellenform in der Nähe des Nulldurchgangs.
Fig. 17 stellt die Spannungsrate der Spannungsänderung in der Nähe des Nulldurchganges dar. Die gestrichelte Linie zeigt den Fall einer Sinuswellen-Wellenform, wenn der Schalter 7 geschlossen ist, und die kontinuierliche Linie zeigt den Fall des Zustands des Inselns, wenn der Schalter 7 offen ist.
Wenn der Schalter 7 geschlossen ist, wird eine Sinuswellenspannung VAC1 von dem Wechselstromenergiesystem 8 geliefert, und ein Erregungsstrom, wie in Fig. 15(c) dargestellt, fließt in den Transformator 6.
Wenn der Zustand des Inselns bei offenen Schalter 7 erzeugt worden ist, wie oben beschrieben, so ist der von dem Wechselrichter 2 gelieferte Erregungsstrom in der Nähe des Nulldurchganges unzureichend, so daß die Spannung in den Grenzen ihres absoluten Wertes geringer als die Sinuswellenspannung VAC1 wird, wie dies durch die Spannung VAC2 dargestellt ist. Im einzelnen weist der differenzierte Wert der Spannung, d. h. die Rate der Spannungsänderung, einen Wert auf, der wesentlich von einer Sinuswelle abweicht, und ein Inseln kann auf diese Weise einfach detektiert werden. Im einzelnen kann der Zustand des Inselns durch Überwachung der Rate der Spannungsänderung an dem Nulldurchgangspunkt (dVAC2/dt = DV2) dadurch identifiziert werden, daß die Differenz (DV2 - DV1) oder das Verhältnis (DV2/DV1) der Rate der Spannungsänderung (dVAC1/dt = DV1) an den Nulldurchgangspunkt für den Fall einer Sinuswelle einen vorgeschriebenen Wert überschreitet.
Fig. 18 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel der Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden harmonische Spannungen, beispielsweise 3., 5. und 7. Harmonische mittels Bandpaß filtern 71, 72 und 73 für die 3., 5. und 7. Harmonische aus der Wechselspannung VAC oder ihrem differenzierten Wert dVAC/dt detektiert, und der Zustand eines Inselns wird in einer Entscheidungseinheit 75 aus diesen harmonischen Spannungen identifiziert, indem ein Relais 74 in der Nähe des durch die Nulldurchgangsdetektionseinheit 53 detektierten Nulldurchganges betätigt wird.
Die Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 gibt dann, wenn ein Zustand eines Inselns detektiert wird, einen Anfangsbefehl an den Funktionsgenerator 55. Wenn der Funktionsgenerator 55 diesen Befehl empfängt, ändert er sein Signal Vf, das normalerweise einen festen Wert hat, in ein zeitlich variierendes Signal (beispielsweise ein Signal, das sich mit zunehmendem Zeitablauf verringert, oder ein Signal, das langsam oszilliert), das das Ausgangssignal bildet. Dieses Signal Vf bildet ein Eingangssignal für den Multiplizierer 56, was zu einer Änderung der Stromreferenz I* des Stromreferenzschaltkreises 12 und dadurch zu einer Änderung des Ausgangsstromes des Wechselrichters 2 führt. Im Ergebnis ist der Gleichgewichtszustand zwischen der Lastenergie und der Wechselrichterausgangsenergie zerstört durch Änderung der Spannung oder der Frequenz. Diese Änderung wird durch das Spannungsrelais 17 oder das Frequenzrelais 18 detektiert, die den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 triggern und den Betrieb des Wechselrichters 2 anhalten.
Der Funktionsgenerator 55 kann basierend auf der obigen Beschreibung vom Fachmann leicht aufgebaut werden. Dementsprechend kann eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus des Funktionsgenerators 55 weggelassen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Inseln sogar bei einer Last mit einem kapazitiven Eingang, beispielsweise Wechselrichter-Klimaanlagen oder Fernsehgeräten detektiert werden.
Fig. 14(b) zeigt einen Schaltkreisaufbau eines typischen Ausführungsbeispieles an einer Gleichrichter last mit kapazitivem Eingang. In der Figur wird Wechselstromenergie von einer Wechselstromenergiequelle 61 zu einem Diodenbrückenschaltkreis 63 durch einen Kondensator zur Verbesserung des Leistungsfaktors angelegt. Der Diodenbrückenschaltkreis 63 richtet die Wechselstromenergie gleich. Die gleichgerichtete Energie wird durch einen Kondensator 64 geglättet und einer Last 65 zugeführt. Im Falle einer solchen Last mit kapazitivem Eingang fließt ein Strom IAC, der einen Spitzenwert in der Nähe des Maximalwertes der Wechselspannung aufweist. Da eine Impedanz in der Wechselstromenergiequelle 61 vorhanden ist, wird einen Wellenformverzerrung erzeugt, wie sie durch die durchgezogene Linie in Fig. 16(a) dargestellt ist, und eine Spannungswellenform wird erzeugt, die viele Harmonische enthält. Da die Spannungswellenform viele Harmonische zur normalen Zeit enthält, ist es schwierig, den Zustand eines Inselns ausschließlich durch Überwachung der Harmonischen der Spannung zu detektieren. Dies hat jedoch keine Auswirkungen in der Nähe des Nulldurchganges, so daß mit diesem Ausführungsbeispiel, das die Wellenform in der Nähe des Nulldurchgangspunktes detektiert, ein Inseln mit hoher Zuverlässigkeit detektiert werden kann.
Ferner kann mit diesem Ausführungsbeispiel die Empfindlichkeit der Detektion des Inselns auf einen hohen Wert eingestellt werden, da der Wechselrichter selbst dann nicht sofort außer Betrieb gesetzt wird, wenn die Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 fehlerhafterweise ein Inseln für eine kurze Zeit detektiert.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß die Identifizierung des Inselns durch die Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 dadurch erzielt werden kann, daß der integrierte Wert des absoluten Wertes der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung VAC2 und der Sinuswellenspannung VAC1 in einem vorgeschriebenen Bereich eines elektrischen Winkels (beispielsweise einem Be reich von ±30º) vor und nach dem Nulldurchgangspunkt gefunden wird, wobei der Zustand des Inselns dadurch identifiziert wird, daß dieser integrierte Wert einen vorgeschriebenen Wert überschreitet. Es ist ferner möglich, den Zustand des Inselns dadurch zu identifizieren, daß die Rate der Spannungsänderung (dVAC2/dt) in der Nähe des Nulldurchganges nicht monoton ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausgangsleistung des Wechselrichters 2 mittels des Ausgangssignales des Funktionsgenerators 55 zum Fluktuieren gebracht wird, wenn ein Zustand eines Inselns detektiert wird.
Es ist jedoch auch möglich, eine Phasenfluktuation oder Frequenzfluktuation des Sinuswellensignales, das das Eingangssignales des Stromreferenzschaltkreises 12 bildet, zu erzeugen, und den Wechselrichter 2 als Antwort darauf außer Betrieb zu setzen, wenn ein Zustand eines Inselns detektiert wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Stromsteuersystem vorgesehen, das einen Sinuswellenstrom mit hohem Leistungsfaktor ausgibt, und, wie in Fig. 19 dargestellt, wird eine Steuerung auf die Ausgangswechselspannung VAC und den Wechselstrom IAC mit der gleichen Phase ausgeübt. Die Stromsteuerung kann ausgeführt werden, um den Strom in der Nähe des Nulldurchganges dieser Wechselspannung positiv Null zu machen, wie bei IAC gemäß Fig. 19 dargestellt. Wenn dadurch ein Zustand eines Inselns erzeugt wird, so wird die Spannungswellenform in der Nähe des Nulldurchganges positiv verzerrt, so daß der Zustand des Inselns zuverlässig detektiert werden kann. Wenn die Detektion des Inselns zuverlässig ist, kann ein Aufbau angenommen werden, bei dem der Wechselrichter direkt durch das Ausgangssignal der Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 außer Betrieb gesetzt wird.
In der obigen Beschreibung wurde ein Ausführungsbeispiel offenbart, bei dem der Transformator 6 mit der Wechselstromausgangsseite des Wechselrichters 2 verbunden und Verzerrung in der Spannungswellenform in der Nähe des Nulldurchganges durch die Wirkung des Erregungsstromes erzeugt worden ist. Wenn jedoch ein Schalter in dem Sekundärkreis des Transformators 6 vorgesehen ist und ein Zustand eines Inselns durch das Öffnen dieses Schalters hervorgerufen wird und die Last 9 eine Menge einer nichtlinearen, widerstandsbehafteten Last (Gleichrichtungslastschaltkreis mit kapazitivem Eingang und/oder Kernerregungswicklungslast eines Motors usw.) aufweist, ist es möglich, den Zustand des Inselns auf die gleiche Weise wie oben beschrieben dadurch zu identifizieren, daß die in der Spannungswellenform erzeugte Verzerrung detektiert wird, die durch das Ungleichgewicht in der Nähe des Nulldurchganges zwischen dem Strom, der in der Last dissipiert wird, und dem Sinuswellenstrom, der von dem Wechselrichter 2 geliefert wird, detektiert wird.
Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wird der Zustand eines Inselns dadurch detektiert, daß die Abweichung von einer Sinuswelle der Wellenform in der Nähe des Nulldurchganges der Wechselspannung detektiert wird, wenn ein Zustand des Inselns erzeugt worden ist. Die Detektion des Zustands des Inselns kann daher mit extrem hoher Zuverlässigkeit erreicht werden, ohne daß sie durch die Wellenformverzerrung in der Nähe des Maximalwertes der Wechselspannung beeinflußt ist. Ferner ist auf diese Weise eine Wechselrichterschutzvorrichtung mit hoher Sicherheit angegeben, bei der der Wechselrichter 2 außer Betrieb gesetzt werden kann, indem der Zustand des Inselns sogar unter solchen Umständen in zuverlässiger Weise detektiert wird, in denen eine große Anzahl von Wechselrichtern parallel betrieben werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Fall beschrieben, bei dem die Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 den Anfangsbefehl an den Funktionsgenerator 55 ausgibt, wenn sie ein Inseln detektiert. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel begrenzt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Vergleichs- und Entscheidungseinheit 54 anstelle des Verzerrungsdetektors 27 und des Verzerrungsänderungsdetektors 33 verwendet werden. Wenn die Vergleichs- und Entscheidungseinrichtung 54 ein Inseln detektiert, verursacht sie einen Bruch des Energiegleichgewichtes durch den Koeffizienten-Einstellschaltkreis 30 und den Phasen/Gewinn-Einstellschaltkreis 31.
Auf diese Weise ist eine Fluktuation der Frequenz und der Spannung verursacht, und der Wechselrichter 2 wird durch Betätigung des Spannungsrelais 17 und des Frequenzrelais 18 angehalten.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Das Layout des Ausführungsbeispieles der Erfindung ist in Fig. 20 dargestellt.
In Fig. 20 wird die Wechselstromenergie aus dem Wechselstromenergiesystem 8 durch den Nachtransformator 6 heruntertransformiert und an gewöhnliche Haushaltslasten 9a, 9b und 9c über den Schalter 7 angelegt. In diesem Fall wird üblicherweise die Wechselspannung von 200 V (jeweilige Mittelpunkte 100 V) den Lasten 9a, 9b und 9c durch ein einphasiges Drei-Leiter-System zugeführt. Momentan sind die meisten Lasten 100 V-Lasten. 200 V-Lasten werden jedoch zunehmend benutzt. Die Last 9a ist zwischen Leitungen L1 und L2 (im allgemeinen 200 V) verbunden. Die Last 9b ist zwischen der Leitung L2 und dem Mittelpunkt (Erde) verbunden. Die Last 9c ist zwischen der Leitung L1 und dem Mittelpunkt (Erde) verbunden.
Ein Differenzspannungsdetektionsschaltkreis 82 detektiert die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung zwischen der Leitung L1 und dem Mittelpunkt und der Spannung zwischen der Leitung L2 und dem Mittelpunkt.
Ein Leveldetektor 83 führt eine Detektion des Levels aus, und falls die detektierte Spannungsdifferenz oberhalb eines eingestellten Wertes gelangt, so stellt er dies als Abnormalität fest und veranlaßt einen Zeitfunktionsschaltkreis 84, ein Ausgangssignal V&sub8;&sub4; zu erzeugen. Ein Multipliziererschaltkreis 85 multipliziert das Steuersignal Vc und das Ausgangssignal V&sub2;&sub4;, um einen Wert V&sub8;&sub5; zu erzeugen. Der Stromreferenzschaltkreis 12 gibt die Stromreferenz I* aus, die durch Multiplikation des Ausgangssignales V&sub8;&sub5; des Multipliziererschaltkreises 85 mit dem Sinuswellensignal V&sub5;, das das Ausgangssignal des Filters 16 ist, erhalten wurde.
Es sei nun der Fall betrachtet, bei dem der Schalter 7 geöffnet ist, während sich die resultierende Last der Lasten 9a, 9b und 9c im Gleichgewicht mit dem Wechselrichterausgang befindet. Der äquivalente Schaltkreis für diesen Fall ist in Fig. 21 dargestellt.
Der Wechselrichterausgangsstrom iINV des stromgesteuerten Wechselrichters 2 wird derart gesteuert, daß sich eine Sinuswelle (Leistungsfaktor 1) mit derselben Phase wie derjenigen der Wechselspannung ergibt, und der Wechselrichter 2 wird zur Systemverbindung in einem System verwendet, das eine Solarzelle verwendet.
Obwohl dies selten ist, ist es möglich, daß eine Situation eintritt, in der die Spannung und die Frequenz der Wechselstromenergiequelle (in diesem Fall die Spannung der Last) praktisch unverändert bleiben, wenn der Schalter 7 geöffnet wird, während der Last-Leistungsfaktor 1 ist und die Last sich im Gleichgewicht mit dem Wechselrichterausgang befindet. Der Betrieb kann daher für einen längeren Zeitraum weitergehen. Dies wird als Inseln bezeichnet.
In Fig. 21 ist die Wahrscheinlichkeit, daß der Laststrom gesehen von den Anschlüssen A und B und der Wechselrichterausgangsstrom sich perfekt im Gleichgewicht befinden, sehr gering. Es sei nun angenommen, daß diese Wahrscheinlichkeit 10&supmin;&sup4; beträgt.
In diesem Zustand sei angenommen, daß die Spannung zwischen dem Anschluß A und dem Mittelpunkt 0 (Spannung der Last 9b) V&sub1; ist und daß die Spannung zwischen dem Anschluß B und dem Mittelpunkt 0 V&sub2; ist. Wenn der Schalter 7 geschlossen wird, ist wegen der Einwirkung des Transformators 6
V&sub1; = V&sub2;.
Nachdem jedoch der Schalter 7 geöffnet wurde, sind die Spannungen V&sub1; und V&sub2; durch die Impedanz der Last 9b bzw. 9c bestimmt.
Dementsprechend muß sogar in einem Fall, in dem beim Inseln ein normaler Wert der Spannung (V&sub1; + V&sub2;) aufrechterhalten bleibt, die Wahrscheinlichkeit, daß die Spannung (V&sub1; - V&sub2;) = 0 ist, einschließen, daß sich die Lasten 9b und 9c im Gleichgewicht befinden, einschließlich der Blindleistung. Diese Wahrscheinlichkeit ist daher extrem niedrig.
Darüber hinaus müssen, um V&sub1; - V&sub2; = 0 zu machen, die Lastimpedanzen übereinstimmen, einschließlich der Harmonischen. Daher kann die Wahrscheinlichkeit, daß diese Bedingungen erfüllt sind, als in derselben Größenordnung oder besser liegend betrachtet werden als die Wahrscheinlichkeit, daß sich ein Inseln ausbildet.
Diese Situation ist in Fig. 21 dargestellt. Diese zeigt
(a) einen Fall, bei dem die Lastimpedanzen übereinstimmen einschließlich der Harmonischen und des Leistungsfaktors.
(b) einen Fall, bei dem nur der Last-Leistungsfaktor unterschiedlich ist.
(c) einen Fall, bei dem nur die Wirkleistung der Last unterschiedlich ist.
(d) einen Fall, bei dem nur der Gehalt an Harmonischen unterschiedlich ist (nur die Spannungswellenform der Last ist unterschiedlich).
Eine Abnormalität kann durch V&sub1; - V&sub2; ≠ 0 detektiert werden, ausgenommen in Fall (a).
Wenn diese Methode der Detektion angenommen wird, ist die Wahrscheinlichkeit, daß beim Inseln
V&sub1; - V&sub2; = 0
ist, in der Größenordnung 10&supmin;&sup4; · 10&supmin;&sup4; = 10&supmin;&sup8;. Dies ist eine Wahrscheinlichkeit, die für praktische Zwecke nicht betrachtet werden muß.
In Fig. 20 wird unter Verwendung dieses Prinzips die Spannungsdifferenz (V&sub1; - V&sub2;) durch den Differenzspannungsdetektionsschaltkreis 82 ermittelt. Wenn dieser Wert größer als das durch den Leveldetektor 83 eingestellte Level ist, erzeugt der Zeitfunktionserzeugungsschaltkreis 84 das Signal V&sub8;&sub4;, das sich zeitlich verändert (beispielsweise mit der Zeit fällt oder eine langsame Schwingung ausführt). Der Multipliziererschaltkreis 85 multipliziert das Signal V&sub8;&sub4; mit dem Steuersignal Vc. Auf diese Weise wird durch Veränderung der Stromreferenz I* eine Veränderung des Wechselrichterausgangssignales verursacht. Hierdurch geht das Gleichgewicht mit der Last verloren. Dies erzeugt schnelle Veränderungen in der Spannung und der Frequenz der Verteilungsverkabelung. Das Ergebnis ist, daß Abnormalität durch das Spannungsrelais 17 und/oder das Frequenzrelais 18 detektiert wird, die dementsprechend den Wechselrichter 2 durch den Abnormalitätsdetektionsschaltkreis 19 außer Betrieb setzen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Detektion eines Inselns in zuverlässiger Weise ermöglicht. Dieses Verfahren ist sehr einfach und wirtschaftlich. Es ist jedoch dadurch sehr wirksam, daß die Wahrscheinlichkeit der Detektion des Inselns für praktische Zwecke als 1 betrachtet werden kann.
In Fig. 20 wurde durch den Zeitfunktionserzeugungsschaltkreis 84 eine zeitliche Variation auf den Wechselrichterausgangsstrom ausgeübt, nachdem durch den Leveldetektor 83 eine Abnormalität gefunden wurde. Abgesehen von einer schrittweisen oder einer allmählichen Veränderung könnte diese Veränderung eine solche sein, die das Einführen einer Fluktuation umfaßt. Wenn dasselbe Steuerungssystem angenommen wird, so wird sogar bei einer großen Anzahl von Wechselrichtern die jeweilige Zeit des Beginns der Fluktuation die gleiche sein, so daß sämtliche Wechselrichter synchronisiert sein werden, wobei auf diese Weise die Möglichkeit ausgeschlossen ist, daß sich ihre Wirkungen aufheben könnten.
Es ist ferner möglich, den Wechselrichter von dem System abzuschalten, indem der Wechselrichter 2 unmittelbar durch das Ausgangssignal des Leveldetektors 83 außer Betrieb gesetzt wird.
Der Differenzspannungsdetektionsschaltkreis 82, der Leveldetektor 83, der Zeitfunktionserzeugungsschaltkreis 84 und der Multipliziererschaltkreis in Fig. 20 können selbstverständlich relativ einfach mittels eines Mikrocomputers implementiert werden. Die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen V&sub1; und V&sub2;, ihre Phasendifferenz und ihr Gehalt an Harmonischen kann separat detektiert und verglichen werden. Ein Mikrocomputer kann ferner in einfacher Weise Änderungen in den Charakteristiken der Spannungsdifferenzen (Größe, Gehalt an Harmonischen und Phase) detektieren.
Wie in Fig. 23 dargestellt, wird dann, wenn der Wechselrichter zwischen einem Leiter und Erde verbunden ist, insbesondere mit einem 100 V-Schaltkreis, der Wert k(= V&sub1; - 2V&sub2;) aus der Spannung über die beiden anderen Leiter, mit denen das Spannungsrelais 17 und/oder das Frequenzrelais nicht verbunden sind, ermittelt. Es ist selbstverständlich möglich, Abnormalität dadurch zu identifizieren, daß der Wert k einen festen Wert überschreitet. Es ist ferner selbstverständlich möglich, dasselbe Verfahren anzuwenden, wenn die Wicklungsverhältnisse des Transformators unterschiedlich sind, wobei dann dieser Koeffizient berücksichtigt wird.
Wie oben beschrieben, ist durch dieses Ausführungsbeispiel eine Wechselrichterschutzvorrichtung vorgesehen, bei der die Wahrscheinlichkeit der Detektion eines Inselns stark verbessert ist, indem Schaltkreismittel hinzugefügt sind, die die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen zwischen anderen Leitern detektiert werden als denjenigen, mit denen der Wechselrichter verbunden ist, sowie ihre Phasendifferenz und die Differenz ihrer Harmonischen. Auf diese Weise kann dann, wenn Inseln auftritt, der Wechselrichter mit hoher Zuverlässigkeit von dem Verteilungssystem abgeschaltet werden, so daß sich in der Praxis überhaupt keine Probleme ergeben.
Wie oben beschrieben, sieht die Erfindung eine Schutzvorrichtung für einen Wechselrichter vor, die ein Inseln mit hoher Zuverlässigkeit detektieren kann.

Claims

1. Eine Steuer- und Schutzvorrichtung für einen Wechselrichter (2), der mit einer Last und über einen Leistungsschalter mit einem Wechselstrom-Energiesystem (8) verbunden ist, wobei der genannte Wechselrichter Gleichstromenergie aus einer Gleichstrom-Energiequelle (1) in Wechselstromenergie umwandelt und die genannte Wechselstromenergie an eine Last (9) anlegt, wobei die genannte Steuervorrichtung aufweist Spannungsdetektionsmittel (10) zur Detektion einer Ausgangsspannung des Wechselrichters (2), Stromreferenzerzeugungsmittel (12) zum Erzeugen einer Stromreferenz in Übereinstimmung mit einer Ausgangsspannung der Gleichstrom-Energiequelle (1) und einer Spannungsreferenz, Stromdetektionsmittel (5) zur Detektion eines Ausgangsstromes des Wechselrichters (2), Pulsweitenmodulations-Steuermittel (13, 14, 15) zum Steuern des Wechselrichters (2) in Übereinstimmung mit der durch die Spannungsdetektionsmittel (10) detektierten Ausgangsspannung, der durch die Stromreferenzerzeugungsmittel (12) erzeugten Stromreferenz und dem durch die Stromdetektionsmittel (5) detektierten Ausgangsstrom in Koinzidenz mit der genannten Stromreferenz, und ein Abnormalitätsdetektionsmittel (19) zur Detektion einer Abnormalität in der Ausgangsspannung durch ein Spannungs- oder Frequenzrelais (17, 18) und zum Anlegen eines Abnormalitätssigna les an die Pulsweitenmodulations-Steuermittel, um den Betrieb des Wechselrichters (2) basierend auf der detektierten Abnormalität anzuhalten, gekennzeichnet durch:

erste Detektionsmittel (16, 22, 23, 29, 33), die einen Frequenzdetektionsschaltkreis (22), einen Frequenzänderungsverhältnis-Detektionsschaltkreis (23) und einen Spannungsdetektionsschaltkreis (25) aufweisen, zur Detektion, daß ein Wechselstromausgang des Wechselrichters (2) von dem Wechselstrom-Energiesystem (8) getrennt ist, basierend auf einer elektrischen Größe, die die Frequenz der Ausgangsspannung und/oder ein Änderungsverhältnis der Frequenz (V29) und/oder ein Verzerrungsänderungsverhältnissignal der genannten Ausgangsspannung, die durch den genannten Spannungsdetektionsschaltkreis, einen Nulldurchgangsdetektor (28) und einen Verzerrungsdetektor (27) detektiert werden, umfaßt, und zum Erzeugen eines Detektionssignals basierend auf einem Detektionsergebnis;

Korrektursignalerzeugungsmittel (30), die verbunden sind, um das Detektionssignal von den ersten Detektionsmitteln (23, 29, 33) zu empfangen, zum Erzeugen eines Korrektursignals, um die Phase der Ausgangsspannung in einer Richtung zu verschieben, um die Frequenz des Ausgangssignals zu verändern und damit ein Energiegleichgewicht zwischen einer Ausgangsenergie des Wechselrichters (2) und einer durch die Last (9) aufgenommenen Energie zu brechen;

Korrekturmittel (31), die verbunden sind, um das Korrektursignal von den Korrektursignalerzeugungsmitteln (30) zu empfangen, zum Korrigieren der Stromreferenz in Übereinstimmung mit dem Korrektursignal von den Korrektursignalerzeugungsmitteln (30) und zum Anlegen einer korrigierten Stromreferenz an die Stromreferenzerzeugungsmittel (12); und

zweite Detektionsmittel (32), die ein Signal von dem genannten Verzerrungsdetektor (27) empfangen, zur Detektion, daß das Energiegleichgewicht gebrochen ist, und zum Anlegen eines Gleichgewichtssignals an das Abnormalitätsdetektionsmittel (19);

wobei das Abnormalitätsdetektionsmittel (19) die Abnormalität basierend auf dem Gleichgewichtssignal von den zweiten Detektionsmitteln (32) detektiert und das Abnormalitätssignal zum Anhalten des Betriebes des Wechselrichters (2) basierend auf der detektierten Abnormalität an die Pulsweitenmodulations-Steuermittel anlegt.

2. Eine Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

in den genannten ersten Detektionsmitteln der genannte Parameter die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung, ein Änderungsverhältnis der genannten Frequenz oder ein Verzerrungsänderungsverhältnis der genannten Ausgangspannung umfaßt; und

das genannte Korrekturmittel das genannte Korrektursignal erzeugt, um die genannte Phase der genannten Ausgangsspannung in einer Richtung zu verschieben, um die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung zu verändern und damit das genannte Leistungsgleichgewicht zu brechen.

3. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei: das genannte Korrekturmittel das genannte Korrektursignal erzeugt, um die genannte Phase der genannten Ausgangspannung in einer entgegengesetzten Richtung zu verschieben, um die genannte Frequenz zu verändern, wenn die genannte Frequenz von einer Nennfrequenz um einen vorbestimmten Wert abweicht.

4. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

in den genannten ersten Detektionsmitteln der genannte Parameter die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung, ein Änderungsverhältnis der genannten Frequenz, ein Verzerrungsänderungsverhältnis der genannten Ausgangsspannung oder ein Änderungsverhältnis eines Effektivwertes der genannten Ausgangspannung zu der genannten Stromreferenz umfaßt; und

das genannte Korrekturmittel aufweist

einen Koeffizienteneinstellschaltkreis, der verbunden ist, um das genannte Detektionsresultat zu empfangen, zum Erzeugen eines Gewinnkoeffizientenwertes basierend auf der genannten Frequenz der genannten Ausgangsspannung und/oder dem genannten Änderungsverhältnis der genannten Frequenz und/oder dem genannten Verzerrungsänderungsverhältnis der genannten Ausgangsspannung und/oder dem genannten Änderungsverhältnis des genannten Effektivwertes der genannten Ausgangsspannung zu der genannten Stromreferenz und eines Phasenkoeffizientenwertes basierend auf der genannten Frequenz der genannten Ausgangsspannung und/oder dem genannten Änderungsverhältnis der genannten Frequenz und/oder dem genannten Verzerrungsänderungsverhältnis der genannten Ausgangsspannung, und

einen Gewinn/Phaseneinstellschaltkreis, der verbunden ist, um die genannten Gewinn- und Phasenkoeffizientenwerte zu empfangen, zum Einstellen eines Gewinns basierend auf dem genannten Gewinnkoeffizientenwert, um eine Größe der genannten Stromreferenz derart zu ermitteln, daß der genannte Gewinn basierend auf einer Abweichung des genannten ersten Koeffizientenwertes von einem Nennwert verringert wird, und zum Einstellen der genannten Phase basierend auf dem genannten Phasenkoeffizientenwert, um die genannte Phase der genannten Ausgangsspannung in einer Richtung zu verschieben, um die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung zu verändern, und zum Erzeugen des genannten Korrektursignals basierend auf dem Gewinn und der Phase, die auf diese Weise eingestellt sind, um damit das genannte Energiegleichgewicht zu brechen.

5. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

in den genannten ersten Detektionsmitteln der genannte Parameter die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung umfaßt; und

das genannte Korrekturmittel das genannte Korrektursignal erzeugt, um die genannte Phase der genannten Ausgangsspannung in einer Richtung zu verschieben, um die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung zu verändern und damit das genannte Energiegleichgewicht derart zu brechen, daß die genannte Phase vorgeschoben wird, wenn die genannte Frequenz sich erhöht, und die genannte Phase verzögert wird, wenn sich die genannte Frequenz verringert.

6. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 5, wobei: das genannte Korrekturmittel das genannte Korrektursignal erzeugt, um die genannte Phase der genannten Ausgangsspannung derart zu verschieben, daß ein Änderungsverhältnis der genannten Phase zu der genannten Frequenz verändert wird.

7. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

das genannte erste Detektionsmittel detektiert, daß der genannte Wechselstromausgang des genannten Wechselrichters von dem genannten Wechselstrom-Energiesystem getrennt ist, basierend auf einer Spannungs- Wellenform der genannten Ausgangsspannung als genannte elektrische Größe, und das genannte Detektionssignal erzeugt, wenn eine Verzerrung der genannten Spannungs- Wellenform in der Nähe des Nulldurchgangspunktes der genannten Ausgangsspannung einen vorgeschriebenen Wert überschreitet; und

das genannte Korrekturmittel das genannte Korrektursignal erzeugt, um die genannte Phase der genannten Ausgangsspannung in einer Richtung zu verschieben, um die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung zu verändern und damit das genannte Energiegleichgewicht zu brechen.

8. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

der genannte Wechselrichter an ein Einphasen-Dreileiter-Wechselstrom-Energiesystem angeschlossen ist;

das genannte erste Detektionsmittel detektiert, daß der genannte Wechselstromausgang des genannten Wechselrichters von dem genannten Wechselstrom-Energiesystem getrennt ist, basierend auf zwei Spannungen zwischen zwei Leitern der genannten drei Leiter als genannte elektrische Größe, und das genannte Detektionssignal erzeugt, wenn eine Differenz zwischen den genannten zwei Spannungen einen vorgeschriebenen Wert überschreitet; und

das genannte Korrekturmittel das genannte Korrektursignal erzeugt, um die genannte Phase der genannten Ausgangsspannung in eine Richtung zu verschieben, um die genannte Frequenz der genannten Ausgangsspannung zu verändern und damit das genannte Energiegleichgewicht zu brechen.

9. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 8, wobei: das genannte erste Detektionsmittel detektiert, daß der genannte Wechselstromausgang des genannten Wechselrichters von dem genannten Wechselstrom-Energiesystem getrennt ist, basierend auf einer ersten Spannung zwischen einem ersten Leiter und einem Mittelpunkt und einer zweiten Spannung zwischen einem zweiten Leiter und dem genannten Mittelpunkt als genannte zwei Spannungen, und das genannte Detektionssignal erzeugt, wenn eine Differenz einer Spannung und/oder einer Phase und/oder einer Wellenform zwischen der genannten ersten und der genannten zweiten Spannung einen vorgeschriebenen Wert überschreitet.

10. Eine Steuervorrichtung nach Anspruch 1 zum Erzeugen einer Stromreferenz, die mit der Ausgangsspannung des Wechselrichters synchronisiert ist, und zum Steuern des genannten Wechselrichters, derart, daß ein Ausgangsstrom des genannten Wechselrichters mit der genannten Stromreferenz koinzident ist, wobei die genannte Schutzvorrichtung aufweist:

einen Frequenzdetektionsschaltkreis zur Detektion der genannten Frequenz der genannten Ausgangsspannung;

einen Frequenzänderungsverhältnis-Detektionsschaltkreis zur Detektion eines Frequenzänderungsverhältnisses der genannten Ausgangsspannung;

einen Spannungsaugenblickswert-Detektionsschaltkreis zur Detektion eines Augenblickswertes der genannten Ausgangsspannung;

einen Nulldurchgangs-Detektionsschaltkreis zur Detektion eines Nulldurchgangspunktes, an dem die genannte Ausgangsspannung durch Null geht;

einen Verzerrungsänderungs-Detektor, der verbunden ist, um den genannten Augenblickswert und den genannten Nulldurchgangspunkt zu empfangen, zur Detektion einer Verzerrungsänderung der genannten Ausgangsspannung in der Nähe des genannten Nulldurchgangspunktes basierend auf dem genannten Augenblickswert;

einen Koeffizienteneinstell-Schaltkreis, der verbunden ist, um die genannte Frequenz, das genannte Frequenzänderungsverhältnis und die genannte Verzerrungsänderung zu empfangen, zur Erzeugung eines Phasenkoeffizienten auf der genannten Frequenz, dem genannten Frequenzänderungsverhältnis und der genannten Verzerrungsänderung;

einen Einstellschaltkreis, der mit dem genannten Phasenkoeffizientenwert verbunden ist, zum Erzeugen eines Phasenkorrektursignals als das genannte Korrektursignal, um die genannte Phase der genannten Ausgangsspannung in einer Richtung zu verschieben, um die Frequenz der genannten Ausgangsspannung zu verändern und damit ein Energiegleichgewicht zwischen einer Ausgangsenergie des genannten Wechselrichters und einer durch die genannte Last aufgenommenen Energie zu stö ren;

wobei die genannten Steuermittel verbunden sind, um das genannte Korrektursignal zu empfangen zum Korrigieren der genannten Stromreferenz durch das genannte Korrektursignal und zum Steuern des genannten Wechselrichters basierend auf der genannten, auf diese Weise korrigierten Stromreferenz, um damit das genannte Energiegleichgewicht zu stören; und

zweite Detektionsmittel zur Detektion, daß das genannte Energiegleichgewicht gestört ist, und zum Erzeugen eines Abnormalitätssignales, um den Betrieb des genannten Wechselrichters anzuhalten basierend auf einem Detektionsergebnis.

11. Die Steuervorrichtung nach Anspruch 10, die ferner aufweist:

einen Spannungseffektivwert-Berechnungsschaltkreis, der verbunden ist, um den genannten Augenblickswert der genannten Ausgangsspannung zu empfangen, zum Erzeugen eines Effektivwertes der genannten Ausgangsspannung basierend auf dem genannten Augenblickswert; und

einen Änderungsverhältnis-Detektionsschaltkreis, der verbunden ist, um den genannten Effektivwert und die genannte Stromreferenz zu empfangen, zur Detektion eines Änderungsverhältnisses des genannten Effektivwertes der genannten Ausgangsspannung zu der genannten Stromreferenz;

wobei der genannte Koeffizienten-Einstellschaltkreis ferner verbunden ist, um das genannte Änderungsverhältnis von dem genannten Änderungsverhältnis-Detektionsschaltkreis zu empfangen, und ferner einen Gewinnkoeffizientenwert erzeugt basierend auf der genannten Frequenz, dem genannten Frequenzänderungsverhältnis, der genannten Verzerrungsänderung und dem genannten Änderungsverhältnis; und

wobei der genannte Einstellschaltkreis ferner verbunden ist, um den genannten Gewinnkoeffizientenwert zu empfangen zum Erzeugen eines Gewinnkorrektursignals, um einen Gewinn einzustellen, um eine Größe der genannten Stromreferenz zu ermitteln, derart, daß der genannte Gewinn verringert wird basierend auf einer Abweichung des genannten Gewinnkoeffizientenwertes von einem Nennwert, und das genannte Korrektursignal einschließlich des genannten Phasenkorrektursignals und des genannten Gewinnkorrektursignals erzeugt.

12. Eine Steuervorrichtung nach Anspruch 1 zum Erzeugen einer Stromreferenz, die mit der Ausgangsspannung des Wechselrichters synchronisiert ist, und zum Steuern des genannten Wechselrichters, derart, daß ein Ausgangsstrom des genannten Wechselrichters mit der genannten Stromreferenz koinzident ist, wobei die Schutzvorrichtung aufweist:

einen Phase-Locked-Loop-Schaltkreis zum Erzeugen eines synchronisierten Signals, das mit der genannten Ausgangsspannung synchronisiert ist;

einen Frequenz-Detektionsschaltkreis, der verbunden ist, um das genannte synchronisierte Signal zu empfangen, zur Detektion der genannten Frequenz der genannten Ausgangsspannung;

einen Funktionsgenerator, der verbunden ist, um die genannte Frequenz von dem genannten Frequenzdetektionsschaltkreis zu empfangen, zum Erzeugen eines Phasenkorrektursignals, um ein Energiegleichgewicht zwischen einer Ausgangsenergie des genannten Wechselrichters und einer durch die Last aufgenommenen Energie zu stören;

einen Phasenverschiebungs-Schaltkreis, der verbunden ist, um das genannte synchronisierte Signal und das genannte Phasenkorrektursignal zu empfangen, zum Verschieben einer Phase des genannten synchronisierten Signals durch das genannte Phasenkorrektursignal zum Erzeugen eines Korrektursignales;

wobei die genannten Steuermittel verbunden sind, um das genannte Korrektursignal zu empfangen zum Kor rigieren der genannten Stromreferenz durch das genannte Korrektursignal und zum Steuern des genannten Wechselrichters basierend auf der genannten, auf diese Weise korrigierten Stromreferenz, um damit das genannte Energiegleichgewicht zu stören; und

13. Eine Steuervorrichtung nach Anspruch 1 für einen Wechselrichter, zum Erzeugen einer Stromreferenz, die mit der Ausgangsspannung des genannten Wechselrichters synchronisiert ist, und zum Steuern des genannten Wechselrichters derart, daß ein Ausgangsstrom des genannten Wechselrichters koinzident mit der genannten Stromreferenz ist, wobei die genannte Schutzvorrichtung aufweist:

einen Differenzierschaltkreis, der mit dem genannten Nulldurchgangs-Detektionsschaltkreis verbunden ist, zur Detektion einer Änderungsrate der genannten Ausgangsspannung bezüglich der Zeit;

einen Vergleichs- und Entscheidungsschaltkreis, der verbunden ist, um den genannten Nulldurchgangspunkt und die genannte Änderungsrate zu empfangen, zum Erzeugen eines Signals, wenn die genannte Änderungsrate in der Nähe des genannten Nulldurchgangspunktes einen vorgeschriebenen Wert überschreitet;

einen Funktionsgenerator, der verbunden ist, um das genannte Signal von dem genannten Vergleichs- und Entscheidungsschaltkreis zu empfangen, zum Erzeugen eines Korrektursignales, um ein Energiegleichgewicht zwischen einer Ausgangsenergie des genannten Wechselrichters und einer durch die Last aufgenommenen Energie zu stören;

wobei die genannten Steuermittel verbunden sind, um das genannte Korrektursignal zu empfangen zum Korrigieren der genannten Stromreferenz durch das Korrektursignal und zum Steuern des genannten Wechselrichters basierend auf der genannten, auf diese Weise korrigierten Stromreferenz, um damit das genannte Energiegleichgewicht zu stören; und

zweite Detektionsmittel zur Detektion, daß das genannte Energiegleichgewicht gestört ist, und zum Erzeugen eines Abnormalitätssignals, um den Betrieb des genannten Wechselrichters anzuhalten basierend auf einem Detektionsergebnis.

14. Eine Steuervorrichtung nach Anspruch 1 für einen Wechselrichter, der mit einem Einphasen-Dreileiter-Wechselstrom-Energiesystem über einen Leistungsschalter verbunden ist, Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umwandelt, die genannte Wechselstromenergie an Lasten anlegt und Steuermittel zur Detektion einer Phase und einer Frequenz einer Ausgangsspannung des genannten Wechselrichters aufweist, zum Erzeugen einer Stromreferenz, die mit der genannten Ausgangsspannung synchronisiert ist, und zum Steuern des genannten Wechselrichters, derart, daß ein Ausgangsstrom des genannten Wechselrichters koinzident mit der genannten Stromreferenz ist, wobei die genannte Schutzvorrichtung aufweist:

einen Differenzspannungs-Detektionsschaltkreis zur Detektion einer ersten Spannung zwischen einem ersten Leiter und einem Mittelpunkt und einer zweiten Spannung zwischen einem zweiten Leiter und dem genannten Mittelpunkt und zur Detektion einer Spannungsdifferenz zwischen der genannten ersten Spannung und der genannten zweiten Spannung;

einen Leveldetektor, der verbunden ist, um die genannte Spannungsdifferenz zu empfangen, zum Erzeugen eines Signales, wenn die genannte Spannungsdifferenz einen vorgeschriebenen Wert überschreitet;

einen Funktionsgenerator, der verbunden ist, um das genannte Signal von dem genannten Leveldetektor zu empfangen, zum Erzeugen eines Korrektursignals, um ein Energiegleichgewicht zwischen einer Ausgangsenergie des genannten Wechselrichters und einer durch die genannten Lasten aufgenommenen Energie zu stören;