用於向耗電器網饋送供電網的電功率的設備的製作方法

2024-01-22 11:56:15

專利名稱：用於向耗電器網饋送供電網的電功率的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於向耗電器網饋送供電網的電功率的設備，其中該設備具有頻率轉換器，該頻率轉換器一方面可以與供電網連接而另一方面可以與耗電器網連接。本發明還涉及一種用於向耗電器網饋送供電網的電功率的方法。
背景技術：
這樣的設備和這樣的方法已經由DE 10 2005 004 628 Al公開。該文獻中描述的設備被用於向港口中停泊的輪船提供能量。在港口中停泊的輪船一般由運行的柴油發動機提供能量。但是柴油發動機的廢氣會在港口城市中產生顯著的環境汙染。藉助這種類型的設備可以從陸地提供能量。由於陸地供電網和船舶配電網之間一般存在不同的電壓、電網頻率、星形匯接點處理等等，因此設置了能與不同的電網耦合的靜態頻率轉換器。靜態轉換器具有功率半導體，利用這些功率半導體使得可以對電流和電壓進行轉換。該已知設備存在以下缺點，即高短路電流不能在足夠長的持續時間期間被饋入到船舶配電網中。否則頻率轉換器的功率半導體閥可能被損傷或甚至被破壞。但是，短路電流的足夠長的饋入對於定位船舶一側的短路是必要的，以便在船舶配電網中能夠將有缺陷的子網與剩餘的船舶配電網分開。

發明內容
因此，本發明的任務是提供一種開頭所述類型的設備以及一種方法，利用它們還能夠在足夠長的持續時間期間為耗電器網提供高的短路電流，以便可以對耗電器網中的短路定位並且有針對性地將該短路與剩餘的無缺陷耗電器網分開。本發明通過開關單元以及與該開關單元連接的控制器件來解決該任務，該開關單元與頻率轉換器並聯地設置並且被設計用於橋接該頻率轉換器，以及該控制器件被設計用於在證明存在流經頻率轉換器的短路電流時操作所述開關單元。此外，本發明通過一種用於向耗電器網饋送供電網的電功率的方法解決該任務， 其中，該供電網通過頻率轉換器以及被設計為橋接該頻率轉換器的開關單元與耗電器網連接，在該耗電器網中依據短路標準來監視饋入該耗電器網中的電流，其中在滿足該短路標準時閉合所述開關單元以橋接所述頻率轉換器。根據本發明，在與頻率轉換器的並聯電路中提供開關單元，利用該開關單元可以在短路情況下橋接頻率轉換器。為了識別或者為了證明流經該頻率轉換器的短路電流而設置控制器件，該控制器件除了藉助預定的短路標準來識別短路電流之外還用於操作開關單元。在操作了該開關單元之後，該短路電流至少還流經具有對短路電流足夠的電流承受能力的開關單元。此外，在本發明的範圍中該開關單元是快速閉合的開關單元，使得可以在有短路電流進入之後可靠地避免對頻率轉換器的損傷。在本發明的範圍中，頻率轉換器優選是靜態頻率轉換器。靜態轉換器不具有移動的部件或組件而是具有功率半導體閥。在本發明的範圍中，頻率轉換器的拓撲結構原則上是任意的。例如，靜態頻率轉換器具有整流器以及逆變器，該整流器和逆變器在直流電壓側相互連接。在能量傳輸和能量配送領域中的整流器和逆變器是本領域技術人員公知的，從而在此不需要詳細描述它們的結構。一般採用由所謂的功率半導體閥組成的橋電路，其中， 功率半導體閥與調節器連接並且由該調節器有針對性地從截止位置轉換到導通位置，在該截止位置上中斷通過該功率半導體閥的電流，而在導通位置上使得可以有電流流過該功率半導體閥。通過所述控制單元或更好的調節對功率半導體閥的合適控制使得可以進行期望的轉換。在本發明的範圍中，作為兩個也可以共同稱為轉換器的整流器和逆變器例如考慮兩級或三級轉換器，但是也可以考慮所謂的多級轉換器。頻率轉換器合適地是為高壓以及尤其是為介於IkV和52kV之間的電壓設計的。但是在本發明的範圍中還可以採用為高於52kV的電壓設計的頻率轉換器。合適的是，控制器件與頻率轉換器連接並且被設計用於中斷或用於以其它方式影響頻率轉換器的頻率轉換。根據該合適的擴展，例如在通過開關單元橋接該頻率轉換器的時刻也中斷該頻率轉換器的運行。對開關單元的操作以及脈衝截止在時間上連續協調地進行，使得既不會導致耗電器網中的供電中斷也不會導致具有不同頻率的電流同時疊加在一起。因此，控制器件與頻率轉換器的調節器的一部分連接或者與該調節器連接。因此合適的是，控制器件在操作開關單元時向頻率轉換器施加脈衝截止。例如，如果供電網具有50Hz 的頻率，而耗電器網在正常運行時具有60Hz的頻率，則防止了耗電器網直接與50Hz供電網連接而同時頻率轉換器還在向該60Hz耗電器網饋電。這可能會導致不期望的缺點。合適的是，所述開關單元包括可控的功率半導體。如上面已經描述的，所述開關單元必須足夠快速地閉合，以便在升高的短路電流能夠損傷頻率轉換器的靈敏的功率半導體閥之前就橋接該頻率轉換器。由於機械開關一般為此太緩慢地閉合，因此在本發明的範圍中，合適的是考慮快速的半導體開關。該半導體開關或更好的功率半導體開關例如通過其功率半導體的柵極端子與控制器件連接。因此通過簡單的控制信號，這些控制器件能夠將功率半導體開關快速地從其中斷位置轉換到其導通位置並因此接通該功率半導體開關。開關單元的功率半導體例如是晶閘管。但是在本發明的範圍中可以考慮以下任意可開關的功率半導體，即這些功率半導體至少可以主動地從其截止位置轉換到其導通位置並且能夠無破壞地引導在耗電器一側所需的短路電流。換句話說，這些可開關的功率半導體具有足夠高的電流承受能力，以便無幹擾和無破壞地在所需要的持續時間期間引導所期待的短路電流。根據本發明設備的優選構成，設置了被設計用於檢測頻率轉換器的供電網一側的電輸入測量參數的輸入測量傳感器，以及被設計用於檢測頻率轉換器的耗電器網一側的電輸出測量參數的輸出測量傳感器，其中，控制器件與這些輸入測量傳感器和輸出測量傳感器連接並且一直延遲對開關單元的操作，直到所選擇的輸入測量參數和相應的輸出測量參數具有相同相位為止。根據本發明的該有利構成，考慮供電網中的電壓和耗電器網中的電壓可能具有不同的相位。為了在橋接頻率轉換器時避免不受控制的補償電流，在控制器件一側一直延遲對開關單元的操作，直到在頻率轉換器的兩側都存在相同相位的測量參數為止。所述輸入測量參數和輸出測量參數合適地是輸入電壓和輸出電壓，也就是分別在耗電器網中存在的電壓和在供電網中存在的電壓。只有在供電網中以及在耗電器網中電壓具有
5相同相位時，才導致所述操作以及因此導致控制器件對頻率轉換器的橋接。合適的是，設置輸入端器件以用於將所述設備與供電網連接，而且可能的話還設置輸出端器件以用於將所述設備與耗電器網連接。作為輸入端器件或輸出端器件，例如考慮常見的變壓器。短路標準例如是一種簡單的閾值標準，換句話說根據幅度來監視耗電器網一側或輸入電網一側的電流。如果流過頻率轉換器的電流的幅度在預定的持續時間期間超過預定閾值，則推斷存在短路電流。短路電流就其幅度來說是通常存在的額定電流的幅度的多倍。 短路標準例如當所測得的測量電流超過可調節的閾值時得到滿足，該可調節的閾值按照合適的方式高於所述額定電流。在根據本發明的其它示例性短路標準中，除了純負載電流之外，也就是除了由頻率轉換器饋入耗電器網中的電流之外還附加地監視輸出電壓。由所測得的電壓和所測得的電流構成的商是阻抗。根據該示例性的本發明的短路標準，為該阻抗定義阻抗閾值，低於該阻抗閾值就被評價為短路事件或短路標準。根據本發明方法的一種合適構成，檢測頻率轉換器的供電網一側的至少一個電輸入參數，並且檢測頻率轉換器的耗電器網一側的至少一個電輸出參數，並且將每個輸入參數的相位與相應輸出參數的相位進行比較。根據所給出的短路標準，如上面所描述的那樣在確定輸入參數與輸出參數之間存在相同相位時才閉合開關單元。根據本發明的其它構成，在操作開關單元時向頻率轉換器施加脈衝截止。該脈衝截止引起通過頻率轉換器的功率橋接被中斷。換句話說，該頻率轉換器被斷開，使得可靠地避免對頻率轉換器的靈敏的功率半導體的損傷。開關單元的操作和脈衝截止的設置例如同時進行。合適的是，在橋接所述頻率轉換器之後等待傳輸持續時間的消逝和/或短路標準的取消，然後才取消頻率轉換器的脈衝截止，其中該轉換器事先重新同步到在耗電器網中發現的頻率。此後操作開關單元以取消對頻率轉換器的橋接。通過這種方式可以例如在定位以及斷開短路之後簡單地重新建立所述設備的常見運行方式。在取消對頻率轉換器的橋接之後，在耗電器網中藉助對頻率轉換器的調節逐漸地啟動在短路之前佔主導的運行點， 其中例如應用斜坡函數。其例如可以是在耗電器網中60Hz頻率的逐漸建立，該耗電器網的頻率在頻率轉換器被橋接之後曾短暫地等於供電網例如50Hz的頻率。合適的是，監視器件檢查在耗電器網中是否產生能量，其中該監視器件在證明了耗電器網中有能量產生的情況下阻止對開關單元的操作。通過這種方式來檢查耗電器網是否是孤島網。在本發明的含義中，孤島網的特徵在於，該孤島網不具有自己的能量發生器。 如果耗電器網是孤島網，則整個短路功率由頻率轉換器籌集。但是，如果耗電器網具有能量發生器，例如在耗電器網的船舶發電機還未關閉時，可以由該發電機提供短路電流，而該短路電流不會給頻率轉換器帶來負擔。在這種情況下，不需要橋接頻率轉換器。因此根據本發明的該有利構成，確定耗電器網是否是孤島網，並且如果不是則阻止控制器件對頻率轉換器的橋接。本發明除了三相應用之外還清楚地延伸到具有任意相位數的裝置。


本發明的其它合適構成和優點是下面參照附圖對本發明實施例的描述的主題，其中圖1示意性說明了本發明設備的實施例。
具體實施例方式圖1在示意圖中示出了本發明的設備1的實施例。設備1包括頻率轉換器2和開關單元3，該開關單元3被設計用於橋接頻率轉換器2並且設置在與頻率轉換器2並聯的三相併聯支路4中。在圖1中為了清楚起見僅示出一相。但是，在所示相上的三條短橫線應當表明所示出的本發明設備的實施例是三相設備。 原則上本發明設備的相位數量是任意的。開關單元3在並聯支路4的每一相中都具有兩個反並聯連接的功率半導體閥5，這些功率半導體閥分別例如具有串聯電路或者還僅具有唯一的一個功率半導體部件，例如IGBT、GT0或簡單的晶閘管。頻率轉換器2具有作為整流器6運行的轉換器以及作為逆變器7運行的轉換器， 其中整流器6和逆變器7通過直流電壓連接8相互連接。為了調節以及為了保護轉換器6， 7，而且為了操作開關單元3的功率半導體5，使用包括開頭所描述的控制器件的控制單元 9。本發明的設備通過作為輸入端器件的輸入變壓器10以及通過作為輸出端器件的輸出變壓器11與引導50HZ交流電壓的供電網12連接以及與引導60Hz交流電源的耗電器網13連接。耗電器網13在圖1所示情況下是停泊在港口的較大船舶的配電網。在此，船舶配電網13通過頻率轉換器2與陸地的供電網12連接。因此為了將供電網12的50Hz電壓轉換為船舶配電網13的60Hz電壓，該頻率轉換器是必需的。為了調節頻率轉換和功率傳輸以及操作開關單元3，控制單元9與供電網一側的輸入電流傳感器14連接以及與設置在船舶配電網13中的輸出電流測量傳感器15連接。此外，控制單元9與供電網一側的輸入電壓測量傳感器16連接以及與設置在船舶配電網13 中的輸出電壓測量傳感器15連接。如果船舶的所有發電機都關閉，則船舶配電網就是孤島網。在這種情況下短路電流需要完全由頻率轉換器2來提供。為了阻止為了識別錯誤而快速關閉頻率轉換器，控制單元9藉助輸入測量傳感器14和輸出電流測量傳感器15監視流過頻率轉換器2的電流的幅度。如果例如在所測得的電流超過事先確定的並且在控制單元 9中實施的電流閾值或者被證明在耗電器網13中存在不允許的阻抗過低時由控制單元確定存在短路標準，則控制單元9操作開關單元3並且向頻率轉換器2施加脈衝截止。短路電流現在僅流過並聯支路4。但是為了避免不受控制的補償電流，控制單元9隻有在開關單元兩側出現的電壓具有相同相位時才接通開關單元3。為此，控制單元9將藉助輸入電壓網傳感器16檢測的電壓Uein的供電網一側的相位與藉助輸出電壓測量傳感器17檢測的耗電器網一側的電壓Uaus進行比較。在該實施例中，50Hz供電網向60Hz耗電器網饋電。因此， 每IOOms自動產生所述電壓的相位相同性。只有在頻率轉換器2的輸入端和輸出端的電壓之間出現這樣的相位相等性時，才導致對開關單元3的操作並因此導致對頻率轉換器2的橋接，其中頻率轉換器2同時被施加脈衝截止。然後短路電流僅流過開關單元3，從而避免了對頻率轉換器2的靈敏的半導體部件的破壞。耗電器網13在頻率轉換器被橋接之後採用供電網12的電網頻率。在短路持續時間(在該短路持續時間中船舶耗電器網13的未在圖1中示出的保護設備定位並斷開該短路)消逝之後，控制單元9通過分析所連接的傳感器15和17的信號來識別短路標準的取消。控制單元9將逆變器7同步到現在在耗電器網13中存在的電網頻率並且取消頻率轉換器2的脈衝截止。然後頻率轉換器2與開關單元3同步地向耗電器網13饋電。接著才導致開關單元3被轉換到其中斷位置，從而現在只通過頻率轉換器2 來供應功率。最後，對逆變器7的調節在斷開開關單元3之後負責藉助所謂的斜坡函數逐漸地重新建立耗電器網13中的60Hz交流電壓。
權利要求
1.一種用於向耗電器網(13)饋送供電網(12)的電功率的設備(1)，其中，該設備⑴ 具有頻率轉換器O)，該頻率轉換器一方面能與供電網(1 連接而另一方面能與耗電器網 (13)連接，其特徵在於，開關單元(13)以及與該開關單元(3)連接的控制器件(9)，該開關單元與所述頻率轉換器( 並聯地設置並且被設計用於橋接該頻率轉換器O)，以及該控制器件被設計用於在證明存在流經所述頻率轉換器O)的短路電流時操作所述開關單元(3)。
2.根據權利要求1所示的設備(1)，其特徵在於，所述控制器件(9)與所述頻率轉換器 (2)連接並且被設計用於中斷或用於以其它方式影響該頻率轉換器O)的頻率轉換。
3.根據權利要求1或2所述的設備(1)，其特徵在於，所述開關單元(3)包括可控的功率半導體(5)。
4.根據上述權利要求之一所述的設備(1)，其特徵在於，-被設計用於檢測頻率轉換器O)的供電網一側的電輸入測量參數(Iein，Uein)的輸入測量傳感器(14，16)，以及-被設計用於檢測頻率轉換器⑵的耗電器網一側的電輸出測量參數(Iaus，UaJ的輸出測量傳感器(15，17)，-其中，所述控制器件(9)與所述輸入測量傳感器(14，16)和輸出測量傳感器(15，17) 連接並且一直延遲對所述開關單元(3)的操作，直到所選擇的輸入測量參數(In)和相應的輸出測量參數(Uaus)具有相同相位為止。
5.根據上述權利要求之一所述的設備(1)，其特徵在於，輸入端器件(10)，用於將所述設備與供電網連接，和/或輸出端器件(11)，用於將所述設備與耗電器網連接。
6.根據上述權利要求之一所述的設備(1)，其特徵在於，所述頻率轉換器( 具有在直流電壓一側互相連接的轉換器(6，7)，其中，每個轉換器(6，7)具有可控的功率半導體閥。
7.一種用於向耗電器網(13)饋送供電網(12)的電功率的方法，其中，該供電網(12) 通過頻率轉換器⑵以及被設計為橋接該頻率轉換器⑵的開關單元⑶與耗電器網(13) 連接，在該耗電器網中依據短路標準來監視饋入該耗電器網(1 中的電流，其中，在滿足該短路標準時閉合所述開關單元(3)以便橋接所述頻率轉換器O)。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，-檢測所述頻率轉換器O)的供電網一側的至少一個電輸入參數^in，並且檢測該頻率轉換器O)的耗電器網一側的至少一個電輸出參數Uaus，-將輸入參數Uein的相位與輸出參數Uaus的相位進行比較，以及 -根據所給出的短路標準，在確定輸入參數Uein與輸出參數Uaus之間存在相同相位時才閉合所述開關單元(3)。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，在操作所述開關單元(3)時向所述頻率轉換器( 施加脈衝截止。
10.根據上述權利要求9之一所述的方法，其特徵在於， -在橋接所述頻率轉換器( 之後等待短路標準的取消， -頻率轉換器(7)同步到耗電器網(13)的頻率，-然後才取消頻率轉換器O)的脈衝截止，以及 -此後操作所述開關單元(3)以取消對該頻率轉換器O)的橋接。
11.根據權利要求8至11之一所述的方法，其特徵在於，監視器件檢查在耗電器網 (13)中是否產生能量，其中，該監視器件在證明了耗電器網(1 中有能量產生的情況下阻止對所述開關單元(3)的操作。
全文摘要
為了提供一種用於向耗電器網(13)饋送供電網(12)的電功率的設備(1)，其中，該設備(1)具有頻率轉換器(2)，該頻率轉換器一方面能與供電網(12)連接而另一方面能與耗電器網(13)連接，利用該頻率轉換器還能在足夠長的持續時間期間為耗電器網提供高的短路電流，從而能夠定位耗電器網中的短路並且有針對性地將該短路與剩餘的無缺陷耗電器網分開，提出一種開關單元(13)以及與該開關單元(3)連接的控制器件(9)，該開關單元與頻率轉換器(2)並聯地設置並且被設計用於橋接該頻率轉換器(2)，以及該控制器件被設計用於在證明存在流經頻率轉換器(2)的短路電流時操作所述開關單元(3)。
文檔編號H02M5/40GK102197562SQ200980142600
公開日2011年9月21日 申請日期2009年9月29日 優先權日2008年10月27日
發明者于爾根·莫澤, 尤維·克雷布斯 申請人:西門子公司