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Dokumentenidentifikation DE10039918C2 01.08.2002
Titel Selbstadaptierende Power-Factor-Regelung
Anmelder A. Eberle GmbH, 90441 Nürnberg, DE
Erfinder Haussel, Werner, 90537 Feucht, DE;
Stockbauer, Gunter, Linz, AT
Vertreter Merten & Kollegen, 90461 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 16.08.2000
DE-Aktenzeichen 10039918
Offenlegungstag 21.03.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.08.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.08.2002
IPC-Hauptklasse G05F 1/70
IPC-Nebenklasse H02J 3/18   H02J 3/46   

Beschreibung[de]

Bei der Spannungsregelung von mehreren Drehstromtransformatoren, die parallel geschaltet sind, gibt es das Problem der Kreisströme, die bei unterschiedlichen EMK's der Transformatoren entstehen und zu erheblichen Belastungen für die einzelnen Transformatoren und des Netzes führen können.

Bei der Parallelschaltung an einer Sammelschiene wird dieses Problem dadurch gelöst, dass bei analogen Reglern die entsprechenden Ströme und Spannungen im allgemeinen einer Zusatzeinrichtung zugeführt werden, und daraus eine dem Kreisstrom proportionale Größe ermittelt und den Spannungsreglern zugeführt wird. Bei digitalen Reglern mit Mikroprozessor-Steuerung wird dies durch eine Busverbindung über einen digitalen Datenstrom erreicht und die proportionale Größe zum Kreisstrom berechnet. Diese Größe wird in beiden Fällen dazu verwendet, die EMK's der Transformatoren derart zu verändern, dass die Kreisströme minimiert werden.

Bei der Parallelschaltung von Transformatoren, die an verschiedenen Orten in ein gemeinsames Versorgungsnetzwerk einspeisen (Bild 1), kann eine derartige Verbindung in der Regel nicht realisiert werden.

In diesem Fall wird das sogenannte Power-Factor-Verfahren (PF-Verfahren) angewendet. Die fehlende Verbindung zwischen den Spannungsreglern wird ersetzt durch die Vorgabe eines Sollwerts und die Messung des cosφ am Einspeisepunkt jedes Transformators.

Aus den an den Einspeisepunkten gemessenen Strömen und Spannungen wird der tatsächliche cosφ berechnet und mit dem eingestellten Sollwert verglichen. Unter der Voraussetzung, dass der Leistungsfaktor des Netzes dem Soll-cosφ des Netzes entspricht, repräsentiert die Abweichung den im Netz fließenden Kreisstrom (Bild 2).

Der Kreisstrom ergibt sich dann zu



IKr = Isinφist - Isinφsoll (1)

Aus der Gleichung 1 ist ersichtlich, dass auch dann Kreisströme erkannt werden, wenn der tatsächliche Leistungsfaktor des Netzes nicht dem cosφsoll entspricht. D. h. es ist zwar kein Kreisstrom vorhanden, aber durch die Veränderung des Leistungsfaktors im Netz wird dem Regler ein Kreisstrom vorgetäuscht. Der Regler versucht nun diesen virtuellen Kreisstrom durch die Verstellung der EMK und damit der Spannung im Netz zu kompensieren. Es entsteht damit eine bleibende Regelabweichung der Spannung, die abhängig von der Größe der Abweichung des Leistungsfaktors das zulässige Maß überschreiten kann.

Um diesen Effekt zu vermeiden wird erfindungsgemäß der Sollwert des cosφ für die Kreisstromminimierung ständig dem aktuellen Wert des Netzes nachgeführt. Das Prinzip ist in Bild 3 dargestellt.

Ein Verfahren zur selbsttätigen rechnergestützten Erkennung der Anlagenkonfiguration bei einer Vielzahl von an unterschiedlichen Sammelschienen beliebig parallelgeschalteten Stufentransformatoren, die unterschiedliche Stufenzahlen und Spannungsstufen aufweisen können, sowie deren Regelung ist aus der DE-C-40 04 671 bekannt. Bei jeder Änderung der Anlagenkonfiguration, d. h. des Netzleistungsfaktors, wird dieser aus der Summe der Wirk- und Blindströme sämtlicher an einer Sammelschiene betriebenen Transformatoren ermittelt und als korrigierter Sollwert den Reglern zur Minimierung der Kreisblindströme übergeben.

Erfindungsgemäß ist eine selbstadaptierende Power-Factor-Regelung (PF- Regelung) zur Minimierung von durch parallel geschaltete Drehstromtransformatoren in Netzen entstehenden Kreisströmen, wobei die elektromotorische Kraft (EMK) der Transformatoren abhängig von einem ermittelten Wert verändert wird, der durch Vergleich des cosφ am Einspeisepunkt jedes Transformators (cosφist) mit einem Soll-cosφ des Netzes (cosφsoll) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der einmalig bei der Einstellung der Kreisstrom-Minimierung korrekt eingegebene cosφsoll der darauf folgenden zeitlichen Veränderungen der Netzverhältnisse selbständig angepasst wird. Das selbstadaptierende Verfahren erfährt durch Einführen eines freien Parameters k eine variabel starke Anbindung der zeitlichen Veränderung an den Vorgabewert cosφsoll.

Nach der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der aus der Phasenbeziehung zwischen U und I am Meßeingang an einem Transformator gewonnene Wert des cosφist mit dem als freiem Parameter eingegebenen Multiplikator k beaufschlagt, wobei der so beaufschlagte cosφist mit dem cosφsoll summiert wird, wobei aus einer Anzahl nacheinander so ermittelter Werte in einem Integrator über eine Zeit t ein rollierender Mittelwert cosφsoll/adapt gebildet wird, wobei ein Regler R aus dem cosφist den Ist-Blindstrom Iqist am Einspeisepunkt ermittelt und über den Vorgabewert cosφsoll/adapt und dem gemessenen Strom den Soll-Blindstrom Iqsoll berechnet und wobei die Differenz zwischen Iqist und Iqsoll den Kreisstrom IKr ergibt und aus dem Vergleich zwischen IKr und dem zulässigen Kreisstrom IKrz die Stellgröße XP für die Regelung der EMK des Transformators bestimmt wird. k ist eine reelle Zahl ≥ 0 und die Integrationszeit t für die rollierende Mittelwertbildung entsprechend den Anforderungen des zu regelnden Netzes ist vorzugsweise frei eingebbar.

Der gemessene Strom und die gemessene Spannung werden gemeinsam an den Funktionsblock "Ermittlung Istwert cosφ" (1) angeschlossen. Der cosφist geht dann an den Multiplikator *k und wird dort mit dem Bewertungsfaktor k multipliziert und auf einen Summationspunkt gegeben. Auf den selben Summationspunkt wird der cosφsoll gegeben. Im Summationspunkt werden die Größen summiert.

Im Integrator (2) wird über die Zeit t ein rollierender Mittelwert gebildet und normiert. Der Mittelwert verhindert, daß sich kurzzeitige starke Änderungen des cosφist direkt auf die PF-Regelung (3) auswirkt.

So ergibt sich für





wobei n = Index des aktuellen integrierten Wertes

l = Anzahl der Abtastungen der Integration

Die Integrationszeit t ergibt sich zu



T = l.τ



wobei τ = Abtastintervall

Der cosφsoll/adapt ist der Wert, auf den die selbstadaptierende PF-Regelung (3) regelt. Der Wert k gibt an, wie stark sich die PF-Regelung (3) an den aktuellen cosφ des Netzes angleicht. Bei k = 0 wird der Istwert überhaupt nicht berücksichtigt. Mit steigendem k wird dieser immer stärker einbezogen. Bei Werten für k zwischen 2 und 5 ist der cosφsoll als langfristiger Mittelwert zu betrachten, an den der cosφsoll/adapt angebunden ist.

Der Vorteil dabei ist, daß sich der Vorgabewert für die PF-Regelung (3) nicht beliebig weit von einem Erfahrungswert wegbewegen kann.

Ist dies nicht gewünscht, so kann k groß gewählt werden, und die Anbindung an den Erfahrungswert wird entsprechend locker.

Die PF-Regelung (3) ermittelt aus cosφist den Ist-Blindstrom Iqist der am Einspeisepunkt fließt. Über den Vorgabewert cosφsoll/adapt und dem gemessenen Strom wird der Soll-Blindstrom Iqsoll berechnet. Aus diesen beiden Werten wird der Kreisstrom IKr berechnet



Iqist - Iqsoll = IKr (3)

Dieser wird mit dem zulässigen Kreisstrom IKrz verglichen und daraus die Stellgröße XP abgeleitet.

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens ist, dass die Regler ohne jede Hardware- Verbindung in einer Parallelregelung arbeiten und Ergebnisse liefert, die denen von bekannten Parallelregelverfahren mit Hardware-Verbindung vergleichbar sind.

Als weiterer Vorteil muß gewertet werden, dass die Adaption des cosφ je nach Bedürfnis des Netzbetreibers unterschiedlich stark an einen Erfahrungswert angebunden werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Selbstadaptierende Power-Factor-Regelung (PF-Regelung) zur Minimierung von durch parallel geschaltete Drehstromtransformatoren in Netzen entstehenden Kreisströmen,

    wobei die elektromotorische Kraft (EMK) jedes Drehstromtransformators mittels je eines Reglers durch den Vergleich des cosφ-Istwertes am Einspeisepunkt des Drehstromtransformators (cosφist) mit einem Soll-cosφ-Sollwert (cosφsoll/adapt) eingestellt wird,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der cosφ-Sollwert (cosφsoll/adapt) jedes Reglers ausgehend von einem einmalig bei der Einstellung der Kreisstrom-Minimierung eingegebenen cosφ-Sollwert (cosφsoll) durch Korrektur mit dem cosφ-Istwerte (cosφist) der zeitlichen Veränderung der Netzverhältnisse selbständig nachgeführt wird.
  2. 2. Selbstadaptierende Power-Factor-Regelung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das selbstadaptierende Verfahren durch Einführen eines freien Parameters k eine variabel starke Anbindung der zeitlichen Veränderung an den Vorgabewert cosφsoll erfährt.
  3. 3. Selbstadaptierende Power-Factor-Regelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

    daß der aus der Phasenbeziehung zwischen U und I am Meßeingang an einem Transformator gewonnene Wert des cosφist mit dem als freiem Parameter eingegebenen Multiplikator k beaufschlagt wird,

    daß der so beaufschlagte cosφist mit dem cosφsoll summiert wird,

    daß aus einer Anzahl nacheinander so ermittelter Werte in einem Integrator über eine Zeit t ein rollierender Mittelwert cosφsoll/adapt gebildet wird,

    daß ein Regler R aus dem cosφist den Ist-Blindstrom Iqist am Einspeisepunkt ermittelt und über den Vorgabewert cosφsoll/adapt und dem gemessenen Strom den Soll-Blindstrom Iqsoll berechnet,

    wobei die Differenz zwischen Iqist und Iqsoll den Kreisstrom IKr ergibt und aus dem Vergleich zwischen IKr und dem zulässigen Kreisstrom IKrz die Stellgröße XP für die Regelung der EMK des Transformators bestimmt wird.
  4. 4. Selbstadaptierende Power-Factor-Regelung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß k eine reelle Zahl ≥ 0 ist.
  5. 5. Selbstadaptierende Power-Factor-Regelung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationszeit t für die rollierende Mittelwertbildung entsprechend den Anforderungen des zu regelnden Netzes frei eingebbar ist.






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