METHOD FOR PARALLEL CONNECTION OF ELECTRIC SYNCHRONOUS MACHINES AND/OR ELECTRIC 3 PHASE NETWORKS

Abstract: 1. A method of connecting synchronous electrical machines and/or electrical three-phase networks in parallel by detecting the zero transitions of the two voltages which are to be compared with one another and their mutual phase position in order to form a connect command for power switches, taking into account inherent switching time and the frequency difference DELTA f between the two voltages, characterised in that the current mean of the frequency difference is formed from a plurality of periods of both voltages, that in accordance with a mean value process the respective peak values of the half-cycles are determined over a predetermined number of half-cycles of the two voltages, that for each determined peak value a factor is obtained which permits a "standardisation" of the following instantaneous values in that the factor corrects the measured instantaneous values as if they were obtained from a voltage with a constant peak value of 100%, and that from standardised pairs of instantaneous values of the two voltages points of the envelope curve which enclose the beat curve are determined, whereby harmonic influences in the voltages are substantially eliminated by means value formation and the switching point for the power switch is derived from thus obtained mean values of the frequency difference and the envelope curve.

Description: Verfahren zum Parallelschalten von elektrischen Synchronmaschinen und/oder elektrischen Drehstrom-Netzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Parallelschalten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist in der Siemens-Zeitschrift 52 (1978) Heft 3, Seiten 149 ff. beschrieben. Dabei werden mit statisch arbeitenden Messschaltungen die Nulldurchgänge zweier miteinander zu vergleichender Spannungen erfasst und ausgewertet. Bei diesem Verfahren treten bei stark verzerrten, d.h. gemäss Fig. 1 stark von der Sinusform abweichenden Spannungskurven im Bereich des Nulldurchganges aber unzulässig grosse Messfehler auf, die ein gefahrloses Parallelschalten in Frage stellen können, trotz der an sich hohen Schaltgenauigkeit der auf die genannte Weise arbeitenden Synchronisiereinrichtungen, die ausserdem auch noch die Anpassung der Maschinenfrequenz und der Maschinenspannung der an das Netz parallelzuschaltenden Synchronmaschine an die Netzfrequenz und die Netzspannung vornimmt, so dass der genannte Parallelschaltvorgang selbständig erfolgt. Die Synchronisiereinrichtung prüft demnach, ob an den Zuschaltstellen der Synchronmaschine oder eines-Teilnetzes der Winkel i zwischen den beiden zu vergleichenden Spannungen innerhalb bestimmter Grenzwerte liegt und es wird zum Parallelschalten der genaue Schaltpunkt unter Berücksichtigung der jeweils zulässigen Frequenzdifferenz und der für jeden parallelschaltenden Leistungsschalter bekannten Einschaltzeit selbsttätig ermittelt. Dabei muss der Einschaltbefehl für den betreffenden Leistungsschalter in Abhängigkeit von der Frequenzdifferenz jf und der Schalter-Einschaltzeit tE bei einem Schaltwinkel or dem Phasengleichheitspunkt gegeben werden, damit der Schalter genau bei Phasengleichheit der beiden miteinander verglichenen Spannungen schaltet, d.h. seine Kontakte schliesst, wobei zunächst unberücksichtigt bleibt, dass bestimmte Werte der Frequenzdifferenzen und der Spannungsdifferenzen einzuhalten sind. Unter der Annahme #f = const ergeben sich folgende Zusammenhänge = ssf tE 3600 (1) wobei für jeden Schalter x sich eine festgelegte Konstante Kx tEx 3600 (2) ergibt, so dass für jeden Schalter ein der Frequenzdifferenz df proportionaler Schaltwinkel = auf K gsx ssf Kx (3) vorliegt, bei dem der Einschaltbefehl gegeben werden muss. Um den genauen Schaltwinkel ad erhalten zu können, muss sx daher möglichst genau die Frequenzdifferenz ssf ermittelt und zu jedem Zeitpunkt der Winkel oC zwischen den beiden zu vergleichenden Spannungen bestimmt werden. Bei Kenntnis von ssf und ed sowie tE kann bei dem zugehörigen Schaltwinkelogsx der Einschaltbefehl gegeben werden. Eine ausreichend genaue Erfassung der obigen Grössen setzt aber möglichst verzerrungsfreie, d.h. insbesondere in den Nulldurchgängen weitgehend sinusförmig verlaufende Spannungen voraus. Diese Voraussetzung ist in der Praxis vielfach nicht erfüllt, so dass für Maschinen schädliche und für das Netz unerwünschte Parallelschaltzeitpunkte auftreten würden, die durch Unterlassen des Parallelschaltens vermieden werden müssen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auch bei stark verzerrten, d.h. starken Oberschwingungseinflüssen ausgesetzten Spannungen von Synchronmaschinen und/oder Drehstrom-Neten jeweils den genauen Einschaltzeitpunkt zu bestimmen. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Massnahmen des Patentanspruchs. um leichteren Verständnis der Erfindung wird zunächst wieder von der Annahme Zf = const ausgegangen, die aus beiden erfassten Frequenzen ermittelt wird. Für die Erfassung der Frequenzen beider zu vergleichender Spannungen wird jeweils gemäss Fig. 2 die Periodendauer über Perioden ausgewertet, wobei die Periodenzahl n vorgegeben oder abhängig von der Frequenzdifferenz Jf in bestimmten Grenzen festgelegt werden kann. Die beiden zu vergleichenden Spannungen (Messspannungen) können beispielsweise alle x Millisekunden abgetastet und ihre abgetasteten Analogwerte in Digitalgrössen umgewandelt werden. Wenn dabei gemäss Fig. 2 beispielsweise im Zeitpunkt t ein Nulldurchgang erkannt 0 wird, dann lässt sich durch Interpolation der angenommene Nulldurchgang bei t aus mindestens zwei Messungen ermitteln. So kann bei einer Abtastfrequenz von 1 kHz für die Erfassung der Periodendauer jede 1 ms (x = 1) eine Abtastung erfolgen und die Millisekunden bis zum Zeitpunkt t5 in Fig. 2 sowie gleichzeitig die Zahl der in den schraffierten Zonen zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, t4 und t5 festgestellten Nulldurchgänge gezählt werden. Zum Zeitpunkt t5 wird wiederum durch Interpolation der angenommene Nulldurchgang festgestellt, womit die Summe t2 von fünf Periodendauern zu tZ = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 festgelegt ist. Der Mittelwert für eine Periodendauer ist n mit n = 5 und der Frequenzmittelwert = t1 . Da bei diesen "ittelwertverfahren" Erfassungs- fehlerPmnur bei to und tn, d.h. nur am Anfang und am Ende jeder Periodenfolge von n Perioden auftreten und diese bei n > 2 mit zunehmender Zahl n immer geringeren Einfluss auf die Erfacsungsergebnisse ausüben können, kann auf diese Weise eine sehr genaue Ermittlung der Frequenen der Spannungen auch bei starken Oberschwingungseinflüssen gemäss Fig. 1 erreicht werden. Für das Zählen der abgetasteten Perioden der Spannungen wird jede der beiden Spannungen nur während einer bestimmten 7eitspanne einer Messeinrichtung zugeführt, die durch die zulässigen oberen und unteren Grenzwerte der Betriebsfrequenz festgelegt ist. Bei oberschwingungsbehafteten verzerrten Spannungen nach Fig. 1 können im Bereich des eigentlichen Nulldurchganges entsprechend einer gespeicherten Vergleichs-Sinuskurve mehrere zusätzliche Nulldurchgänge (Fehlernulldurchgänge) auftreten, die im Vergleich mit der Sinuskurve als Fehler erkennbar sind, so dass nur die eigentlichen Nulldurchgänge durch Interpolation über mehr oder wenig weit auseinanderliegende Abtastpunkte feststellbar sind. Bei Auftreten von nicht plausiblen, z.B. durch Störungen hervorgerufenen Nulldurchgängen der Spannungen wird die Messung abgebrochen und anschliessend neu begonnen. Um auch in solchen Fällen die notwendigen aktuellen Werte der Frequenzdifferenzen ssfakt zu erhalten, wird bei Beginn der nächstfolgenden Periode eine neue Messreihe mit n-Messungen gestartet, wobei der Messbeginn der einzelnen Messreihen jeweils um eine Periode verschoben ist. Im genannten Beispiel mit n = 5 werden also immer fünf Messungen durchgeführt. Dabei wird auch geprüft, ob die Frequenzdifferenz bf konstant ist oder sich ändert. Im letzteren Fall kann z.B. beim Synchronisieren eines Generators festgestellt werden, ob er beschleunigt oder verzögert wird. Zum genauen Ermitteln des notwendigen Schaltwinkels zwischen beiden Messspannungen wird aus diesen eine Schwebungskurve gebildet und deren "Hüllkurve" ausgewertet. Hierzu wird die eine Spannung von der anderen Spannung subtrahiert, so dass bei gleich grossen Spannungen gemäss Fig. 3 bei a= 0 die Hüllkurve den Wert Null annehmen kann. Damit wird der Teil der Hüllkurve für die Schaltzeitpunktbestimmung ausgenützt, die grössere Schaltgenauigkeit zulässt. Dieser günstige Fall des Wertes Null der Hüllkurve bei 06= 0 tritt bei ungleichgrossen, insbesondere bei oberschwingungsbehafteten Spannungen nicht auf. Nach der Erfindung werden nach einem Mittelwertverfahren über eine festgelegte Anzahl von Halbschwingungen der beiden Spannungen die je welligen Scheitelwerte der Halbschwingungen ermittelt, was bei sinusförmigen Spannungen mit ausreichender Genauigkeit bereits aus einer einzigen Halbschwingung möglich wäre. Für jeden ermittelten Scheitelwert wird ein Faktor gewonnen, der eine "Normierung" der folgenden Momentanwerte erlaubt, indem der Faktor die gemessenen Momentanwerte so korrigiert, als ob sie aus einer Spannung mit konstantem Schweitelwert von 100 0o gewonnen wären. Bei dem zugrundegelegten Abtastintervall (z.B. jede Millisekunde eine Abtastung) können einzelne Werte der Schwebungskurve festgelegt werden, wobei bei 50 Hz beider Messspannungen deren einzelne Werte im Abstand von etwa 18 auftreten. Ein Punkt der Hüllkurve dieser Schwebungskurve ist dann genau bestimmt, wenn die "normierten" Momentanwerte beider Spannungen gleich gross sind, d.h. wenn die beiden Zeiger u1 und u2 der Spannungen entsprechend Fig. 4 symmetrisch, d.h. t= t zu einer gemeinsamen Bezugslinie (Waagrechten) liegen. Eine Feststellung genau gleicher Momentanwerte u5 der Hüllkurve kann aber nur zufällig erfolgen, da die besagte Abtastung normalerweise unsynchron, d.h. ru A zu den Frequenzen der beiden Spannungen vorgenommen wird. Im üblichen Parallelschaltbereich kann bereits aus einem einzigen Momentanwertepaar ein Punkt der Hüllkurve mit zulässig kleinem Fehler ermittelt werden. Das Prinip -ur Ermittlung von solchen Punkten ist in Fig. 5 angedeutet, wonach man im Abtastzeitpunkt t1 aus den Span- nungen u1, u2 die absoluten Momentanwerte ssu11l und 1u21( erhält. Zum 1 ms späteren Zeitpunkt t2 erhält man die abso- luten Momentanwerte |u12| und |u22|. Bei gleicher Frequenz f = 50 Hz der Spannungen u1 und u2 bewegen sich diese in 1 ms in der gleichen Richtung um 18 (18 = ss2 - ss1 = - t bei 50 Hz und 1 ms). Aus den "normierten" Momentan- werten können die Winkel 2 2 4 und /2 bestimmt und somit die entsprechenden Punkte auf der Hüllkurve ermittelt werden. Wenn im Messzeitpunkt die gemessenen Momentanwerte der Spannungen u1 und u2 gemäss Fig. 5 im benachbarten Quadranten liegen, dann ergeben sich auf der Hüllkurve Punkte 180 - ss + &gamma; us = 2 # sin (--). Wenn dagegen gemäss Fig. 6 die 2 Momentanwerte der Spannungen u1 und u2 im Messzeitpunkt im gleichen Quadranten liegen, ergibt sich für jeden Momentanwert auf der Hüllkurve ein Punkt u s = 2 # sin (90 - ss - &gamma;). Je nach der Relativlage beider 2 Spannungen u1 und u2 ergeben sich unterschiedlich viele aus- wertbare Messpunkte, wobei durch die besagte Mittelwertbildung die Oberschwingungseinflüsse weitgehend eliminiert werden. Bei üblicherweise eingestellten Grenzwerten der Frequenzdifferenz #f und einer beispielsweise gewählten Abtastung der Messspannungen im abstand von 1 Millisekunde stehen in einer Halbschwingung bis zu 10 Messwerte zur Auswertung bereit. Sobald die Bedingung &alpha;s = #f # K erfüllt ist, wird ein Einschaltbefehl gegeben, sofern die wesentlichen Bedingungen #f < Einstellwert und #U < Einstellwert erfüllt sind und eine Annäherung der beiden Spannungen an den Schaltpunkt erfolgt. Um beispielsweise durch Frequenzänderungen bedingte zusätzliche und unzulässige Messfehler auszuschliessen, wird bei Annäherung der beiden Spannungen in die Umgebung des Schaltpunktes zunächst der Faktor K erhöht, um eine längere Schal tereinschaltzeit tE vorzutäuschen. Der erste ermittelte fiktive Schaltpunkt für t wird registriert. Nach beispiels- weise 10 ms wird der Faktor K auf einen Wert verstellt, bei dem nach weiteren 10 ms und unveränderter Frequenzdifferenz > if ein erneuter Einschaltbefehl erfolgen müsste, wobei dieser Vorgang kontinuierlich solange wiederholt wird, bis der Schaltwinkel 45 beim tatsächlich erforderlichen Faktor Kx ermittelt wird. Diese Messwiederholungen lassen alle Störungen erkennen, die den zulässigen Streubereich der Hüllkurve überschreiten bzw. unterschreiten, so dass auch eine Vorzeichenumkehr der Frequenzdifferenz af erkennbar wird. Unabhängig von der vorgenannten Prüfung kann auch die Kontinuität der Spannungsdifferenz als zusätzliches Freigabekriterium für den Einschaltbefehl geprüft werden. 1 Patentanspruch 6 Figuren

Claims: Patentanspruch Verfahren zum Parallelschalten von elektrischen Synchronmaschinen und/oder elektrischen Drehstrom-Netzen unter Erfassung des Nulldurchganges beider miteinander zu vergleichender Spannungen und Umwandlung derselben in Digitalwerte zur Bildung eines Einschaltbefehles für Leistungsschalter mit bekannten Eigenschaltzeiten unter Berücksichtigung der Frequenzdifferenz ssf zwischen beiden Spannungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass aus mehreren Vollschwingungen (Perioden) beider Spannungen jeweils ein Mittelwert gebildet wird zur Bestimmung der aktuellen Frequenzdifferenz, dass aus den Halbschwingungen der Spannungen ebenfalls ein Mittelwert gebildet wird zur Ermittlung der die Hüllkurve bestimmenden Schwebungskurve und dass aus den beiden Mittelwerten der Schaltpunkt für den Leistungsschalter abgeleitet wird.

Inventors: LEIBOLD, HELMUT, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H02J3
IPC codes: H02J3