METHOD FOR CONNECTING ELECTRIC SYNCHRONOUS MACHINES AND/OR ALTERNATING CURRENT ELECTRIC NETWORKS IN PARALLEL

Abstract: 1. A method of connecting electrical synchronous machines and/or electrical three-phase networks in parallel involving the detection of the zero transitions of two voltages which are compared with one another, obtaining from the zero transitions of the individual half-cycles of the two voltages respective signals ta and tb to form a logic-linked signal te = ta + ~tb and a signal tc = ta + tb , from the half-cycles of like polarity for purposes of angle detection and to form a connect command for power switches, taking into account the known inherent switching time and the frequency difference DELTA f between the two voltages, characterised in that the mean current value of the frequency difference is formed over the duration of a plurality of periods of the two voltages and the switching point for the power switch is derived from the angle detection signals together with the mean value of the frequency difference.

Description: Verfahren zum Parallelschalten von elektrischen Synchronmaschinen und/oder elektrischen Drehstrom-Netzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Parallelschalten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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 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 f und der Schalter-Einschaltzeit tE bei einem Schaltwinkel #s vor 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 Äf = const ergeben sich folgende Zusammengänge = af . tE . 360 (1) wobei für jeden Schalter x sich eine festgelegte Konstante Kx tEx 3600 (2) ergibt, so dass für jeden Schalter ein der Frequenzdifferenz Af proportionaler Schaltwinkel sx = Äf Kx (3) vorliegt, bei dem der Einschaltbefehl gegeben werden muss. Um den genauen Schaltwinkel Zsx erhalten zu können, muss daher möglichst genau die Frequenz differenz "f ermittelt und zu jedem Zeitpunkt der Winkel oc zwischen den beiden zu vergleichenden Spannungen bestimmt werden. Bei Kenntnis von #f und d sowie der Schaltereinschaltzeit tE kann bei dem zugehörigen Schaltwinkel sx der Einschaltbefehl gegeben werden. Eine ausreichend genaue Erfassung der obigen Grössen setzt aber möglichst verzerrungsfreie 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 mit weitgehend eindeutigen Nulldurchgängen von Synchronmaschinen und/oder Drehstrom Netzen jeweils den genauen Einschaltzeitpunkt zu bestimmen. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Massnahmen des Patentanspruchs. Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird zunächst wieder von der Annahme a f = 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 n-Perioden ausgewertet, wobei die Periodenzahl n vorgegeben oder abhängig von der Frequenzdifferenz df in bestimmten Grenzen automatisch angepasst 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 to ein Nulldurchgang erkannt wird, dann lässt sich durch Interpolation der angenommene Nulldurchgang bei to 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 t1, t2, t3, t4 und t5 festgestellten Nulldurchgänge gezählt werden. Zum Zeitpunkt t5 wird wiederum durch Interpolation der angenommene Nulldurchgang festgestellt, womit die Summe von fünf Periodendauern zu ts = tl + t2 + t3 + t4 + t5 festgelegt ist. Der Mittelwert für eine Periodendauer ist mit n = 5 und der Frequenzmittelwert fm = 1 pm Da bei n diesen "ittelwertverfahren" Erfassungsfehler nur bei t0 und tn, d.h. nur am Anfang und am Ende jeder Periodenfolge von n-Perioden auftreten und diese bei n 22 mit zunehmender Zahl n immer geringeren Einfluss auf die Erfassungsergebnisse ausüben können, kann auf diese Weise eine sehr genaue Ermittlung der Frequenzen 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 be stimmten Zeitspanne einer Messeinrichtung zugeführt, die durch die zulässigen oberen und unteren Grenzwerte der Betriebsfrequenz festgelegt ist. Die bei oberschwingungsbehafteten verzerrten Spannungen nach Fig. 1 auftretenden Nulldurchgänge können mit einer gespeicherten Vergleichs-Sinuskurve verglichen werden. 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 dfakt 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 ssf konstant ist oder sich ändert. Im letzteren Fall kann z.B. beim Synchronisieren eines Generators festgestellt werden, ob er beschleunigt oder verzögert wird. Zur Bestimmung des Winkels i zwischen beiden zu vergleichenden Spannungen wird eine an sich bekannte Dreieckskurve gemäss Fig. 3 auf eine nachfolgend anhand der Fig. 4 dargelegte Weise gebildet. Diese Dreieckskurve wird nicht zur Bestimmung der Frequenzdifferenz herangezogen, die ja wie vorbeschrieben gesondert ermittelt wird. Bei der rechnerischen Bildung der Dreieckskurve werden keine Filter wie sonst üblich benötigt, so dass auch nicht unerwünschte und nur mit Schwierigkeiten näherungsweise lösbare Filterlaufzeitprobleme auftreten. Die Prüfung der Dreieckskurve auf Kontinuität vor dem Schaltpunkt lässt sich darüberhinaus relativ einfach durchführen. Aus den nach dem beschriebenen Mittelwertverfahren für die Frequenzerfassung ermittelten Nulldurchgängen nach Fig. 2 werden gemäss Fig. 4 Signalzeiten gewonnen und es wird aus der zeitlichen Uberdeckung der jeweils gleiche Vorzeichen aufweisende Halbschwingungen der Winl:el K bestimmt. Bei einer jede Millisekunde erfolgenden Abtastung der Spannungen u1 und u2 mit angenommenen Fre quenzen f1 2 f2 und nahezu unverändert bleibender Frequenzdifferenz f = f1 - f2 ergeben sich für die be- trachteten positiven Halbschwingungen beider Spannungen Halbschwingungsdauern ta bzw. tb. Aus diesen Halbschwingungsdauern mit den Anfangszeitpunkten tAU1 bzw. tAU2 und den Endzeitpunkten tEU1 bzw. tEU2 ergeben sich jeweils Signale t zwischen c tAU2 und tEUl und te zwischen tAU1 und tAU2. Es gilt dabei: t = 180 woraus sich ergibt i= 180 (1 - c ) (4) tc 180-&alpha; ta Der Winkel < muss darüberhinaus auch gleich sein &alpha; = 180 . te (5) t a Die Auswertung der negativen Halbschwingungen der beiden Spannungen u1 und u2 erfolgt in nicht dargestellter Weise entsprechend. Für die Ermittlung der Signal zeiten tc und te können für beide Spannungen u1 und u2 aus der Frequenzerfassung entsprechende Werte tAU1 2 und tEUl, 2 sowie die Anzahl der Abtastintervalle in jeder Halbschwingung erhalten werden. Für die Signalzeiten t und te ergeben sich nach Fig. 4 folgende Zusammenhänge: (6) tc = tAU2 + tEUl + ne 1 te = tAUl + tEUl + ne t ti (7) worin t. = das Abtastintervall von z.B. ims bedeutet und ne = die Zahl der Abtastintervalle darstellt. Es gilt somit: 1 tc + te = 2 tp (8) mit tp = Periodendauer. Bei Erfüllung der vorgenannten Bedingung unter Berücksichtigung entsprechender Toleranzen für Messfehler und zulässige Kurvenformfehler (Abweichung von Sinuskurve) kann der Winkel i5 für die Ermittlung des Schaltpunktes freigegeben werden. Zur Plausibilitätsprüfung kann die Summe der Laufzeiten aus positiver und negativer Halbschwingung mit einer Spannung verglichen werden, deren Werte für die Dauer einer Periode aus der Mittelwertsbildung für die Frequenzmessung ermittelt werden. 1 Patentanspruch, 4 Figuren

Claims: Patentanspruch Verfahren zum Parallelschalten von elektrischen Synchronmaschinen und/oder elektrischen Drehstrom-Netzen unter Winkelerfassung mittels Dreieckskurve sowie Erfassung des Nulldurchganges beider miteinander zu vergleichender Spannungen und Umwandlung derselben in Digitalwerte zur Bildung eines Einschaltbefehles für Leistungsschalter mit bekannten Eigenschaltzeiten unter Berücksichti gung der Frequenzdifferenz a f zwischen beiden Spannun- gen, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Mittelwert der Frequenzdifferenz aus mehreren Vollschwingungen (Perioden) beider Spannungen gebildet und aus den Nulldurchgängen der einzelnen Halbschwingungen beider Spannungen Signale (ta > tb) zur Bildung von den Differenzen der Anfänge bzw. Enden der Halbschwingungen gleicher Polarität entsprechenden Signalen (tc, te) gewonnen werden, und aus diesen Differenzsignalen zusammen mit dem Mittelwert der Frequenzdifferenz, der Schaltpunkt für den Leistungsschalter abgeleitet wird.

Inventors: LEIBOLD, HELMUT
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1985
Main classification: H02J3
IPC codes: H02J3