CN102197562A - 用于向耗电器网馈送供电网的电功率的设备 - Google Patents

Abstract

为了提供一种用于向耗电器网(13)馈送供电网(12)的电功率的设备(1)，其中，该设备(1)具有频率转换器(2)，该频率转换器一方面能与供电网(12)连接而另一方面能与耗电器网(13)连接，利用该频率转换器还能在足够长的持续时间期间为耗电器网提供高的短路电流，从而能够定位耗电器网中的短路并且有针对性地将该短路与剩余的无缺陷耗电器网分开，提出一种开关单元(13)以及与该开关单元(3)连接的控制器件(9)，该开关单元与频率转换器(2)并联地设置并且被设计用于桥接该频率转换器(2)，以及该控制器件被设计用于在证明存在流经频率转换器(2)的短路电流时操作所述开关单元(3)。

Description

用于向耗电器网馈送供电网的电功率的设备

技术领域

本发明涉及一种用于向耗电器网馈送供电网的电功率的设备，其中该设备具有频率转换器，该频率转换器一方面可以与供电网连接而另一方面可以与耗电器网连接。

本发明还涉及一种用于向耗电器网馈送供电网的电功率的方法。

背景技术

这样的设备和这样的方法已经由DE 10 2005 004 628 A1公开。该文献中描述的设备被用于向港口中停泊的轮船提供能量。在港口中停泊的轮船一般由运行的柴油发动机提供能量。但是柴油发动机的废气会在港口城市中产生显著的环境污染。借助这种类型的设备可以从陆地提供能量。由于陆地供电网和船舶配电网之间一般存在不同的电压、电网频率、星形汇接点处理等等，因此设置了能与不同的电网耦合的静态频率转换器。静态转换器具有功率半导体，利用这些功率半导体使得可以对电流和电压进行转换。该已知设备存在以下缺点，即高短路电流不能在足够长的持续时间期间被馈入到船舶配电网中。否则频率转换器的功率半导体阀可能被损伤或甚至被破坏。但是，短路电流的足够长的馈入对于定位船舶一侧的短路是必要的，以便在船舶配电网中能够将有缺陷的子网与剩余的船舶配电网分开。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种开头所述类型的设备以及一种方法，利用它们还能够在足够长的持续时间期间为耗电器网提供高的短路电流，以便可以对耗电器网中的短路定位并且有针对性地将该短路与剩余的无缺陷耗电器网分开。

本发明通过开关单元以及与该开关单元连接的控制器件来解决该任务，该开关单元与频率转换器并联地设置并且被设计用于桥接该频率转换器，以及该控制器件被设计用于在证明存在流经频率转换器的短路电流时操作所述开关单元。

此外，本发明通过一种用于向耗电器网馈送供电网的电功率的方法解决该任务，其中，该供电网通过频率转换器以及被设计为桥接该频率转换器的开关单元与耗电器网连接，在该耗电器网中依据短路标准来监视馈入该耗电器网中的电流，其中在满足该短路标准时闭合所述开关单元以桥接所述频率转换器。

根据本发明，在与频率转换器的并联电路中提供开关单元，利用该开关单元可以在短路情况下桥接频率转换器。为了识别或者为了证明流经该频率转换器的短路电流而设置控制器件，该控制器件除了借助预定的短路标准来识别短路电流之外还用于操作开关单元。在操作了该开关单元之后，该短路电流至少还流经具有对短路电流足够的电流承受能力的开关单元。此外，在本发明的范围中该开关单元是快速闭合的开关单元，使得可以在有短路电流进入之后可靠地避免对频率转换器的损伤。

在本发明的范围中，频率转换器优选是静态频率转换器。静态转换器不具有移动的部件或组件而是具有功率半导体阀。在本发明的范围中，频率转换器的拓扑结构原则上是任意的。例如，静态频率转换器具有整流器以及逆变器，该整流器和逆变器在直流电压侧相互连接。在能量传输和能量配送领域中的整流器和逆变器是本领域技术人员公知的，从而在此不需要详细描述它们的结构。一般采用由所谓的功率半导体阀组成的桥电路，其中，功率半导体阀与调节器连接并且由该调节器有针对性地从截止位置转换到导通位置，在该截止位置上中断通过该功率半导体阀的电流，而在导通位置上使得可以有电流流过该功率半导体阀。

通过所述控制单元或更好的调节对功率半导体阀的合适控制使得可以进行期望的转换。在本发明的范围中，作为两个也可以共同称为转换器的整流器和逆变器例如考虑两级或三级转换器，但是也可以考虑所谓的多级转换器。

频率转换器合适地是为高压以及尤其是为介于1kV和52kV之间的电压设计的。但是在本发明的范围中还可以采用为高于52kV的电压设计的频率转换器。

合适的是，控制器件与频率转换器连接并且被设计用于中断或用于以其它方式影响频率转换器的频率转换。根据该合适的扩展，例如在通过开关单元桥接该频率转换器的时刻也中断该频率转换器的运行。对开关单元的操作以及脉冲截止在时间上连续协调地进行，使得既不会导致耗电器网中的供电中断也不会导致具有不同频率的电流同时叠加在一起。因此，控制器件与频率转换器的调节器的一部分连接或者与该调节器连接。因此合适的是，控制器件在操作开关单元时向频率转换器施加脉冲截止。例如，如果供电网具有50Hz的频率，而耗电器网在正常运行时具有60Hz的频率，则防止了耗电器网直接与50Hz供电网连接而同时频率转换器还在向该60Hz耗电器网馈电。这可能会导致不期望的缺点。

合适的是，所述开关单元包括可控的功率半导体。如上面已经描述的，所述开关单元必须足够快速地闭合，以便在升高的短路电流能够损伤频率转换器的灵敏的功率半导体阀之前就桥接该频率转换器。由于机械开关一般为此太缓慢地闭合，因此在本发明的范围中，合适的是考虑快速的半导体开关。该半导体开关或更好的功率半导体开关例如通过其功率半导体的栅极端子与控制器件连接。因此通过简单的控制信号，这些控制器件能够将功率半导体开关快速地从其中断位置转换到其导通位置并因此接通该功率半导体开关。开关单元的功率半导体例如是晶闸管。但是在本发明的范围中可以考虑以下任意可开关的功率半导体，即这些功率半导体至少可以主动地从其截止位置转换到其导通位置并且能够无破坏地引导在耗电器一侧所需的短路电流。换句话说，这些可开关的功率半导体具有足够高的电流承受能力，以便无干扰和无破坏地在所需要的持续时间期间引导所期待的短路电流。

根据本发明设备的优选构成，设置了被设计用于检测频率转换器的供电网一侧的电输入测量参数的输入测量传感器，以及被设计用于检测频率转换器的耗电器网一侧的电输出测量参数的输出测量传感器，其中，控制器件与这些输入测量传感器和输出测量传感器连接并且一直延迟对开关单元的操作，直到所选择的输入测量参数和相应的输出测量参数具有相同相位为止。根据本发明的该有利构成，考虑供电网中的电压和耗电器网中的电压可能具有不同的相位。为了在桥接频率转换器时避免不受控制的补偿电流，在控制器件一侧一直延迟对开关单元的操作，直到在频率转换器的两侧都存在相同相位的测量参数为止。所述输入测量参数和输出测量参数合适地是输入电压和输出电压，也就是分别在耗电器网中存在的电压和在供电网中存在的电压。只有在供电网中以及在耗电器网中电压具有相同相位时，才导致所述操作以及因此导致控制器件对频率转换器的桥接。

合适的是，设置输入端器件以用于将所述设备与供电网连接，而且可能的话还设置输出端器件以用于将所述设备与耗电器网连接。作为输入端器件或输出端器件，例如考虑常见的变压器。

短路标准例如是一种简单的阈值标准，换句话说根据幅度来监视耗电器网一侧或输入电网一侧的电流。如果流过频率转换器的电流的幅度在预定的持续时间期间超过预定阈值，则推断存在短路电流。短路电流就其幅度来说是通常存在的额定电流的幅度的多倍。短路标准例如当所测得的测量电流超过可调节的阈值时得到满足，该可调节的阈值按照合适的方式高于所述额定电流。在根据本发明的其它示例性短路标准中，除了纯负载电流之外，也就是除了由频率转换器馈入耗电器网中的电流之外还附加地监视输出电压。由所测得的电压和所测得的电流构成的商是阻抗。根据该示例性的本发明的短路标准，为该阻抗定义阻抗阈值，低于该阻抗阈值就被评价为短路事件或短路标准。

根据本发明方法的一种合适构成，检测频率转换器的供电网一侧的至少一个电输入参数，并且检测频率转换器的耗电器网一侧的至少一个电输出参数，并且将每个输入参数的相位与相应输出参数的相位进行比较。根据所给出的短路标准，如上面所描述的那样在确定输入参数与输出参数之间存在相同相位时才闭合开关单元。

根据本发明的其它构成，在操作开关单元时向频率转换器施加脉冲截止。该脉冲截止引起通过频率转换器的功率桥接被中断。换句话说，该频率转换器被断开，使得可靠地避免对频率转换器的灵敏的功率半导体的损伤。开关单元的操作和脉冲截止的设置例如同时进行。

合适的是，在桥接所述频率转换器之后等待传输持续时间的消逝和/或短路标准的取消，然后才取消频率转换器的脉冲截止，其中该转换器事先重新同步到在耗电器网中发现的频率。此后操作开关单元以取消对频率转换器的桥接。通过这种方式可以例如在定位以及断开短路之后简单地重新建立所述设备的常见运行方式。在取消对频率转换器的桥接之后，在耗电器网中借助对频率转换器的调节逐渐地启动在短路之前占主导的运行点，其中例如应用斜坡函数。其例如可以是在耗电器网中60Hz频率的逐渐建立，该耗电器网的频率在频率转换器被桥接之后曾短暂地等于供电网例如50Hz的频率。

合适的是，监视器件检查在耗电器网中是否产生能量，其中该监视器件在证明了耗电器网中有能量产生的情况下阻止对开关单元的操作。通过这种方式来检查耗电器网是否是孤岛网。在本发明的含义中，孤岛网的特征在于，该孤岛网不具有自己的能量发生器。如果耗电器网是孤岛网，则整个短路功率由频率转换器筹集。但是，如果耗电器网具有能量发生器，例如在耗电器网的船舶发电机还未关闭时，可以由该发电机提供短路电流，而该短路电流不会给频率转换器带来负担。在这种情况下，不需要桥接频率转换器。因此根据本发明的该有利构成，确定耗电器网是否是孤岛网，并且如果不是则阻止控制器件对频率转换器的桥接。

本发明除了三相应用之外还清楚地延伸到具有任意相位数的装置。

附图说明

本发明的其它合适构成和优点是下面参照附图对本发明实施例的描述的主题，其中

图1示意性说明了本发明设备的实施例。

具体实施方式

图1在示意图中示出了本发明的设备1的实施例。

设备1包括频率转换器2和开关单元3，该开关单元3被设计用于桥接频率转换器2并且设置在与频率转换器2并联的三相并联支路4中。在图1中为了清楚起见仅示出一相。但是，在所示相上的三条短横线应当表明所示出的本发明设备的实施例是三相设备。原则上本发明设备的相位数量是任意的。开关单元3在并联支路4的每一相中都具有两个反并联连接的功率半导体阀5，这些功率半导体阀分别例如具有串联电路或者还仅具有唯一的一个功率半导体部件，例如IGBT、GTO或简单的晶闸管。

频率转换器2具有作为整流器6运行的转换器以及作为逆变器7运行的转换器，其中整流器6和逆变器7通过直流电压连接8相互连接。为了调节以及为了保护转换器6，7，而且为了操作开关单元3的功率半导体5，使用包括开头所描述的控制器件的控制单元9。

本发明的设备通过作为输入端器件的输入变压器10以及通过作为输出端器件的输出变压器11与引导50Hz交流电压的供电网12连接以及与引导60Hz交流电源的耗电器网13连接。耗电器网13在图1所示情况下是停泊在港口的较大船舶的配电网。在此，船舶配电网13通过频率转换器2与陆地的供电网12连接。因此为了将供电网12的50Hz电压转换为船舶配电网13的60Hz电压，该频率转换器是必需的。

为了调节频率转换和功率传输以及操作开关单元3，控制单元9与供电网一侧的输入电流传感器14连接以及与设置在船舶配电网13中的输出电流测量传感器15连接。此外，控制单元9与供电网一侧的输入电压测量传感器16连接以及与设置在船舶配电网13中的输出电压测量传感器15连接。如果船舶的所有发电机都关闭，则船舶配电网就是孤岛网。在这种情况下短路电流需要完全由频率转换器2来提供。为了阻止为了识别错误而快速关闭频率转换器，控制单元9借助输入测量传感器14和输出电流测量传感器15监视流过频率转换器2的电流的幅度。如果例如在所测得的电流超过事先确定的并且在控制单元9中实施的电流阈值或者被证明在耗电器网13中存在不允许的阻抗过低时由控制单元确定存在短路标准，则控制单元9操作开关单元3并且向频率转换器2施加脉冲截止。短路电流现在仅流过并联支路4。但是为了避免不受控制的补偿电流，控制单元9只有在开关单元两侧出现的电压具有相同相位时才接通开关单元3。为此，控制单元9将借助输入电压网传感器16检测的电压U_ein的供电网一侧的相位与借助输出电压测量传感器17检测的耗电器网一侧的电压U_aus进行比较。在该实施例中，50Hz供电网向60Hz耗电器网馈电。因此，每100ms自动产生所述电压的相位相同性。只有在频率转换器2的输入端和输出端的电压之间出现这样的相位相等性时，才导致对开关单元3的操作并因此导致对频率转换器2的桥接，其中频率转换器2同时被施加脉冲截止。然后短路电流仅流过开关单元3，从而避免了对频率转换器2的灵敏的半导体部件的破坏。耗电器网13在频率转换器被桥接之后采用供电网12的电网频率。

在短路持续时间(在该短路持续时间中船舶耗电器网13的未在图1中示出的保护设备定位并断开该短路)消逝之后，控制单元9通过分析所连接的传感器15和17的信号来识别短路标准的取消。控制单元9将逆变器7同步到现在在耗电器网13中存在的电网频率并且取消频率转换器2的脉冲截止。然后频率转换器2与开关单元3同步地向耗电器网13馈电。接着才导致开关单元3被转换到其中断位置，从而现在只通过频率转换器2来供应功率。最后，对逆变器7的调节在断开开关单元3之后负责借助所谓的斜坡函数逐渐地重新建立耗电器网13中的60Hz交流电压。

Claims (11)

1.一种用于向耗电器网(13)馈送供电网(12)的电功率的设备(1)，其中，该设备(1)具有频率转换器(2)，该频率转换器一方面能与供电网(12)连接而另一方面能与耗电器网(13)连接，

其特征在于，开关单元(13)以及与该开关单元(3)连接的控制器件(9)，该开关单元与所述频率转换器(2)并联地设置并且被设计用于桥接该频率转换器(2)，以及该控制器件被设计用于在证明存在流经所述频率转换器(2)的短路电流时操作所述开关单元(3)。

2.根据权利要求1所示的设备(1)，其特征在于，所述控制器件(9)与所述频率转换器(2)连接并且被设计用于中断或用于以其它方式影响该频率转换器(2)的频率转换。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述开关单元(3)包括可控的功率半导体(5)。

4.根据上述权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，

-被设计用于检测频率转换器(2)的供电网一侧的电输入测量参数(I_ein，U_ein)的输入测量传感器(14，16)，以及

-被设计用于检测频率转换器(2)的耗电器网一侧的电输出测量参数(I_aus，U_aus)的输出测量传感器(15，17)，

-其中，所述控制器件(9)与所述输入测量传感器(14，16)和输出测量传感器(15，17)连接并且一直延迟对所述开关单元(3)的操作，直到所选择的输入测量参数(U_ein)和相应的输出测量参数(U_aus)具有相同相位为止。

5.根据上述权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，输入端器件(10)，用于将所述设备与供电网连接，和/或输出端器件(11)，用于将所述设备与耗电器网连接。

6.根据上述权利要求之一所述的设备(1)，其特征在于，所述频率转换器(2)具有在直流电压一侧互相连接的转换器(6，7)，其中，每个转换器(6，7)具有可控的功率半导体阀。

7.一种用于向耗电器网(13)馈送供电网(12)的电功率的方法，其中，该供电网(12)通过频率转换器(2)以及被设计为桥接该频率转换器(2)的开关单元(3)与耗电器网(13)连接，在该耗电器网中依据短路标准来监视馈入该耗电器网(13)中的电流，其中，在满足该短路标准时闭合所述开关单元(3)以便桥接所述频率转换器(2)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

-检测所述频率转换器(2)的供电网一侧的至少一个电输入参数U_ein，并且检测该频率转换器(2)的耗电器网一侧的至少一个电输出参数U_aus，

-将输入参数U_ein的相位与输出参数U_aus的相位进行比较，以及

-根据所给出的短路标准，在确定输入参数U_ein与输出参数U_aus之间存在相同相位时才闭合所述开关单元(3)。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在操作所述开关单元(3)时向所述频率转换器(2)施加脉冲截止。

10.根据上述权利要求9之一所述的方法，其特征在于，

-在桥接所述频率转换器(2)之后等待短路标准的取消，

-频率转换器(7)同步到耗电器网(13)的频率，

-然后才取消频率转换器(2)的脉冲截止，以及

-此后操作所述开关单元(3)以取消对该频率转换器(2)的桥接。

11.根据权利要求8至11之一所述的方法，其特征在于，监视器件检查在耗电器网(13)中是否产生能量，其中，该监视器件在证明了耗电器网(13)中有能量产生的情况下阻止对所述开关单元(3)的操作。

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