CH697927B1

CH697927B1 - Leistungsschaltvorrichtung für Mehrphasen-Wechselstrom-Systeme.

Info

Publication number: CH697927B1
Application number: CH00583/05A
Authority: CH
Inventors: Reinhard Joho
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2009-03-31
Also published as: DE102006012044A1; CN1862948A; US7560834B2; US20060220471A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungsschalter (9) für Generatoren (1). Erfindungsgemäss wird eine Vorrichtung zur Trennung und/oder zur Verbindung von m Phasen (u, v, w) einer Wechselspannung abgebenden Quelle (1) von n Phasen (n1, n2, n3) einer Last (3) vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass jede der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) jeweils unabhängig über wenigstens einen Leistungsschalter (9) mit jeder der n Phasen in einer m x n Matrix verbunden ist, dass erste Messanordnungen (4) zur Überwachung der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) sowie zweite Messanordnungen (5) zur Überwachung der n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) vorgesehen sind, und dass eine Schalteinheit (6) vorgesehen ist, welche den Schaltzustand der Leistungsschalter (9) in Abhängigkeit des Zustandes der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) und der n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) kontrolliert. Diese Bauweise erlaubt eine besonders schnelle Zuschaltung und/oder Abschaltung für erhöhte Stabilität.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungsschalter-Vorrichtungen für rotierende Generatoren, vorzugsweise Synchrongeneratoren, mit welchen Generatoren einer hohen Leistung im Bereich von mehreren 1 MW bis 2000 MW innerhalb kürzester Zeitspannen auf das Netz verbunden respektive von diesem getrennt werden können. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betrieb derartiger Vorrichtungen. Generator und Netz sind dabei Mehrphasen-Wechselstrom-Systeme. Das Netz besteht aus Stromverbrauchern, Stromerzeugern und verbindenden Leitungen.

Stand der Technik

[0002] Typischerweise wird ein Generator, welcher zur Erzeugung von elektrischer Energie betrieben wird, über einen Generatorschalter (zwischen Generator und Transformator), einen Transformator und einen Netzschalter (zwischen Transformator und Netz) mit einem Netz verbunden.

Es ist bekannt, den Generatorschalter einzuschalten, wenn die drei Synchronisierbedingungen Spannungsphasenfolge und Spannungsphasenlage, Spannungsamplitude und Schlupf erfüllt sind. Die Zuschaltung erfolgt dabei mit gleichzeitigem Schliessen der Schalter jeder Phase der Verbindung zwischen Generator und Netz. Für ein übliches Dreiphasensystem ist also jede der drei Phasenklemmen des Generators mit der entsprechenden Phasenklemme des Netzes verbunden. Es ist dabei belanglos, ob dies mit einem Schalter auf Generatorspannungsebene (zwischen Generator und Transformator, d.h. über den Generatorschalter) oder auf Hochspannungsebene (zwischen Trafo und Netz, d.h. über den Netzschalter) erfolgt.

[0003] Einfachere Kraftwerke weisen gar keinen Schalter zwischen Generator und Transformator auf, der Netzschalter übernimmt alle Funktionen.

Kleinere Generatoren und Höchstspannungsgeneratoren (Powerformer) sind sogar ohne Transformator über einen Schalter mit dem Netz verbunden.

[0004] Bei starken Störungen im Netz wird der Generator durch Öffnen des Generatorschalters unmittelbar hinter den Generatorklemmen oder durch Öffnen des Netzschalters vom Netz getrennt. Registriert ein Sensor einen Fehler im Netz, welcher sich typischerweise in einem Spannungsabfall oder einer entsprechenden Veränderung des Stromes äussert, öffnet ein derartiger Leistungsschalter eine oder mehrere der drei Phasen und verhindert dadurch starke Überströme. Eine derartige Störung kann beispielsweise in einem Leitungskurzschluss bestehen. Infolge Trägheit des Leistungsreglers der Turbine beschleunigt in einer ersten Phase die nunmehr vom Netz getrennte Turbinen-Generator-Einheit ihre Drehzahl.

Dadurch erhöht sich die Generatorfrequenz und es entsteht ein zunehmender Fehlwinkel sowie ein zunehmender Schlupf zwischen Generatorspannung und Netzspannung.

[0005] Das erneute Zuschalten des Generators erfolgt automatisch resp. selbsttätig. Es bleiben typischerweise 100 bis 200 ms, höchstens 300 ms Zeit (so genannte Critical Clearing Time), innerhalb derer notfalls Fehlwinkel und Schlupf noch toleriert werden können. Die dynamischen Ausgleichsvorgänge beim Wiederzuschalten sind dann gerade noch vertretbar, und die Stabilität ist gerade noch gewährleistet.

[0006] Typischerweise kommen als derartige Schalter Leistungsschalter zur Anwendung, welche als mechanische Schalter ausgebildet sind. Die Dimensionierung wird im Wesentlichen durch die maximale Ausschaltleistung bestimmt, die bis zu mehreren 1000 MVA betragen kann.

Der Schalter nutzt die periodisch auftretenden Stromnulldurchgänge zum Abschalten. Trotzdem treten beim Trennen der Kontakte so genannte Lichtbögen auf. Um diese Entladungen kontrolliert abbauen zu können, sind die eigentlichen mechanischen Kontakte normalerweise in einer Schalterkammer angeordnet, wobei diese mit einem elektrisch isolierenden Gas wie beispielsweise SF6 gefüllt ist. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in der ABB-Review 3/2002 (S. 34-40) beschrieben. Ein derartiger Leistungsschalter kann auch als Wiedereinschalter verwendet werden, um die stromtragenden Kontakte wieder zu verbinden.

[0007] Aus der EP 0 984 552 ist es bekannt, mit Ersatzwiderstandslasten die Wiederzuschaltungslimite nach Wegschalten von Netzstörungen zu erweitern.

Dazu wird bei Abtrennung des Generators vom Netz eine der vorausgegangenen Netzlast äquivalente Widerstandslast auf den Generator zugeschaltet, um den beschriebenen Aufbau eines Fehlwinkels zu minimieren. Insbesondere wird dabei als Widerstandslast ein einstellbarer Widerstand, beispielsweise in Form einer Mehrzahl von unabhängig zuschaltbaren Teilwiderständen vorgeschlagen. Die einzelnen Widerstände werden über antiparallel angeordnete Thyristoren zugeschaltet.

Darstellung der Erfindung

[0008] Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine schnelle Vorrichtung zum Trennen und/oder zum Verbinden von Phasen einer Quelle von Phasen einer Last zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten geht es darum, eine neue Vorrichtung zur Verbindung und Trennung von m Phasen einer Wechselstrom-Quelle (z.B.

Wechselstrom-Generator, ggf. mit nachgeschaltetem Transformator) von n Phasen einer Wechselstrom-Last (z.B. Wechselstrom-Netz, ggf. mit vorgeschaltetem Transformator) vorzuschlagen. Insbesondere soll eine derartige Vorrichtung geeignet sein, eine Quelle wie z.B. einen Generator nach Klärung von Netzstörungen schnell wieder automatisch resp.

selbsttätig mit dem Netz zu verbinden, und damit die Stabilität des Netzes zu erhalten.

[0009] Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass eine Vorrichtung vorgeschlagen wird, in welcher jede der m Phasen der Quelle jeweils unabhängig über wenigstens einen Leistungsschalter mit jeder der n Phasen einer Last in einer m x n Matrix verbunden ist, wobei erste Messanordnungen zur Überwachung der m Phasen der Quelle sowie zweite Messanordnungen zur Überwachung der n Phasen der Last vorgesehen sind, und wobei eine Schalteinheit vorgesehen ist, welche den Schaltzustand des wenigstens einen Leistungsschalters in Abhängigkeit des Zustandes der m Phasen der Quelle und der n Phasen der Last kontrolliert. Die überwachte Grösse ist vorzugsweise die Spannung.

Ferner sorgt bevorzugt die Schalteinheit dafür, dass die n auf die Last zugeschalteten Phasen der Quelle unter sich spannungsmässig symmetrisch verteilt sind.

[0010] Die Erfindung sieht eine Schaltung vor, bei welcher die Möglichkeit besteht, eine Zuschaltung vorzunehmen, ohne jedes Mal den vollen Phasenzyklus (im Extremfall bis 360 ) abwarten zu müssen. Die vorgeschlagene Vorrichtung, d.h. die entsprechende Schaltungsanordnung, erlaubt zum Beispiel auch bei einem Fehlwinkel in der Nähe von 120 deg. oder 240 deg. ein Zuschalten, wobei dann zum Beispiel Generatorphase u mit Netzphase n2 bzw. Netzphase n3 verbunden wird, und die anderen Phasen sinngemäss weiterwandern (d.h. Generatorphase v wird mit Netzphase n3 bzw. n1 verbunden und Generatorphase w mit Netzphase n1 bzw. n2). Damit ergibt sich dieselbe Fehlwinkelbedingung wie bei 0 .

Wenn zum Beispiel der Generator als Quelle bei plötzlicher Fortschaltung vom Netz als Last die Drehzahl beschleunigt, muss für ein Wiederzuschalten nicht ein Wiedererscheinen von 360 deg. = 0 deg. abgewartet werden, sondern es kann zu früheren Zeitpunkten zugeschaltet werden.

[0011] Daraus ergibt sich eine wesentlich erhöhte Stabilität der Betriebsweise. Die resultierenden zusätzlichen Gelegenheiten ermöglichen eine Vergrösserung des Zeitfensters für das Wiederzuschalten. Es hat sich gezeigt, dass das resultierende leicht vergrösserte Mass an Fehlschlupf toleriert werden kann.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung kann unter Bedingungen, wie sie beispielsweise von einem Generator als Quelle mit einer Leistung ab 1 MW, sogar mit einer Leistung im Bereich oberhalb von 50 MW bis sogar oberhalb von 2000 MW herrschen, verwendet werden.

[0012] Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung handelt es sich bei der Quelle um einen Generator und bei der Last um ein Netz. Die Schaltvorrichtung kann dabei im Sinne eines Generatorschalters zwischen Generator und einem Transformator (Netztransformator) angeordnet sein, sie kann aber auch im Sinne eines Transformatorschalters zwischen dem Netz und dem Netztransformator angeordnet sein. Zwischen der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem Generator kann somit auch ein Transformator angeordnet sein, und in diesem Fall handelt es sich bei der Quelle um einen Generator mit nachgeschaltetem Transformator.

Alternativ ist es möglich, zwischen der vorgeschlagenen Vorrichtung und der Last einen Transformator anzuordnen, in diesem Fall handelt es sich bei der Last um ein Netz mit vorgeschaltetem Transformator.

[0013] Die Vorrichtung kann auch, wie bereits ausgeführt, bei gewissen Generatoren den Generator direkt mit dem Netz verbinden.

[0014] Der Generator kann mit einer Statorwicklung in Dreiecksschaltung oder in Sternschaltung ausgeführt sein. Ist die Wicklung für Dreiecksschaltung ausgelegt, so sind die Statorwicklungen der einzelnen Phasen an beiden Enden über Schaltergruppen mit jeweils n Leistungsschaltern auf die n Phasen des Netzes verbunden. Es liegen somit doppelt so viele Schaltergruppen wie Statorwicklungen vor. Demnach kann dann sogar in 60 deg.

Schritten zugeschaltet werden.

[0015] Ist der Generator mit einer Statorwicklung in Sternschaltung ausgelegt, so ist jede der m Statorwicklungen beidseitig jeweils über einen Leistungsschalter auf den Sternpunkt und jeweils über einen Leistungsschalter zu den Phasen des Netzes verbunden. Dabei ist zwischen den zusammengeführten Leistungsschaltern zu den Phasen des Netzes jeder Statorwicklung und den Phasen des Netzes jeweils eine Schaltergruppe mit n Leistungsschaltern angeordnet, welche individuelle Verbindungen zu den einzelnen Phasen des Netzes erlaubt. Dies ermöglicht auch in Sternschaltung eine Zuschaltung in 60 -Schritten.

[0016] Die Leistungsschalter können als konventionelle mechanische Leistungsschalter ausgelegt sein. Vorzugsweise ist aber wenigstens einer, insbesondere sind sämtliche Leistungsschalter als elektronische Leistungsschalter ausgebildet.

Jeder Schalter ist mit Vorteil eine antiparallele Thyristor-Anordnung, speziell eine solche Anordnung integriert in einem Scheibengehäuse, wie sie zum Beispiel von ABB Semiconductors unter der Bezeichnung "Bi-directional Control Thyristor" angeboten wird.

[0017] Möglich sind ausserdem Leistungsschalter, bei welchen wenigstens zwei gegenläufig in Serie geschaltete IGBT-Elemente (Insulated Gate Bipolar Transistor) und/oder GTO-Thristor-Elemente (Gate Turn-Off Thyristor) angeordnet sind, insbesondere in Form von SiC-GTO-Elementen, mit jeweils antiparallel dazu liegenden Dioden. Solche Elemente ermöglichen Unterbrechung des Momentanwertes des Stromes, zum Beispiel beim Überschreiten des zweifachen Generator-Nennstroms.

Dies kann Vorteile für den Generator (elektrodynamische Kräfte und Momente) und für das Netz (Begrenzung der Kurzschluss-Leistung) bieten.

[0018] Die vorgeschlagene Schaltung kann beispielsweise auch teilweise oder vollständig in den Generator integriert werden (Generatorschalter). Dabei ist es zusätzlich möglich, wenigstens einen Teil der Leistungsschalter oder sogar die gesamte Schaltung im Maschinengehäuse des Generators unterzubringen und durch unabhängige Kühlungsmittel insbesondere in Form eines eigenständigen Kühlkreislaufes zu kühlen. Es ist auch möglich, die Leistungsschalter im Maschinengehäuse unterzubringen und in das Kühlsystem von Stator und Rotor zu integrieren.

[0019] Ebenso ist es möglich, die vorgeschlagene Schaltung in den Transformator zu integrieren.

Es kann dann vorteilhaft sein, die 60 -Schritt-Synchronisiermöglichkeit mittels offener Transformatorwicklungen zu erzeugen. Der Generator kann in diesem Fall konventionell ausgeführt sein. Bei der Integration in den Transformator kann diese Schaltung auf der Netzseite oder der Generatorseite durchgeführt sein. Auch hier kann entweder eine Integration in die Kühlung des Transformators vorteilhaft sein, es kann aber auch vorteilhaft sein, für die Schaltung eine separate Kühlung in Form eines Kühlkreislaufs vorzusehen.

[0020] Typischerweise verfügt der Generator über 3 Phasen, es kann aber auch eine grössere Zahl von Generatorphasen angeschlossen werden. Die Synchronisiermöglichkeiten steigen proportional. Besonders prädestiniert für grosse Phasenzahl ist die Ausführung der Generatorwicklung als Ringwicklung.

Die Realisierung kann bei einer 2-Schicht-Stabwicklung durch Dreiecksschaltung und gleichmässig verteilte Anschlüsse an die Stabverbindungen erzielt werden.

[0021] Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verfügt die Vorrichtung zusätzlich über einen Überspannungsschutz. Als Überspannungsschutz kann zum Beispiel eine Diodenbrücke vorgesehen werden, welche Überspannungsenergien auf eine Bedämpfungskapazität umleitet. Realisiert werden kann dies, indem jede der Generatorphasen sowie jede der Netzphasen über eine Diodenbrücke mit einer RC-Last (R für Widerstand, C für Kapazität) verbunden ist.

[0022] Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zusätzlich Mittel zur Reduktion von Einschaltpendelungen vorgesehen. Diese können beispielsweise in Form von transient zuschaltbaren Widerständen in jeder der Generatorphasen vorgesehen werden.

Die Widerstände werden beim Wiederzuschalten nach einer Netzstörung seriell in die Verbindung zum Netz geschaltet und sind so dimensioniert, dass mechanische Drehschwingungen der Welle gedämpft werden. Nach ca. 1/2-1 sec. werden diese Widerstände überbrückt.

[0023] Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Trennung und/oder zur Verbindung von m Phasen einer Quelle von n Phasen einer Last.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass jede der m Phasen der Quelle, d.h. beispielsweise des Generators, unabhängig über wenigstens einen Leistungsschalter mit jeder der n Phasen der Last, zum Beispiel eines Netzes, in einer m x n Matrix verbunden wird, wobei immer höchstens n Schalter geschlossen oder geöffnet werden (und im angeschlossenen Zustand geschlossen sind), dass erste Messanordnungen zur Überwachung der m Phasen der Quelle sowie zweite Messanordnungen zur Überwachung der n Phasen der Last vorgesehen sind, und dass eine Schalteinheit den Schaltzustand der Schalter in Abhängigkeit des Zustandes der m Phasen der Quelle und der n Phasen der Last kontrolliert.

Die Überwachung erfolgt vorzugsweise über die Spannungen.

[0024] Der Zustand kann auch über die Erfassung einer quellenseitigen (z.B. generatorseitigen) und einer lastseitigen (z.B. netzseitigen) Referenzphase erfolgen, wobei das Raster für die Zuschaltbarkeit in einem Überwachungsmittel (Messanordnungen, Schalteinheit) gebildet wird.

[0025] Vorzugsweise werden durch die Schalteinheit die n auf die Last geschalteten Phasen der Quelle unter sich symmetrisch verteilt (Spannungssymmetrie).

[0026] Vorzugsweise wird das Verfahren derart ausgestaltet, dass ein Auftreten von Kurzschlüssen verhindert wird.

Dies beispielsweise indem eine Verriegelungslogik vorgesehen wird, welche verhindert, dass Leistungsschalter zwischen Netzphasen und/oder Generatorphasen, welche nicht zu den ausgewählten symmetrischen Systemen gehören, Kurzschlüsse erzeugen.

[0027] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Zuschaltung in dem Moment, in welchem eine Generatorphase (allgemeiner: Phase der Quelle) in Spannungsdeckung mit der am nächsten liegenden Netzphase (allgemeiner: Phase der Last) ist, oder wenn sie bereits etwas voreilend zur am nächsten liegenden Netzphase ist. Das m-phasige Generatorsystem ist ein ganzzahliges Vielfaches von den n Phasen des Netzes. Damit ist jederzeit ein symmetrisches n-phasiges Generatorsystem verfügbar.

Alternativ kann ein n-phasiges Netzsystem ein ganzahliges Vielfaches von den m Phasen des Generators sein.

[0028] Bei einer Gruppe von n geschlossenen Leistungsschaltern (von verschiedenen Schaltergruppen) werden vorzugsweise, sobald der netzseitige Strom einen Schwellenwert überschreitet und/oder die netzseitige Spannung einen Schwellenwert unterschreitet, im Wesentlichen alle n Schalter gleichzeitig oder in einer geregelten kurzen Folge geöffnet.

[0029] Entsprechend umgekehrt wird für das Zuschalten eine Gruppe von n Leistungsschaltern automatisch, gegebenenfalls nach einer vorgegebenen Verzögerung, nach einem Öffnungsvorgang wieder geschlossen,

sobald die netzseitige Spannung einen Schwellenwert wieder überschreitet und die Fehlwinkelbedingung durch eine Netz- und eine Generatorphase erfüllt werden.

[0030] Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung respektive des Verfahrens zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0031] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
<tb>Fig. 1<sep>eine Grundschaltung mit 9 Schaltern;

<tb>Fig. 2 a)<sep>eine Grundschaltung, bei welcher 18 Schalter vorhanden sind, über welche die offene Dreiphasenwicklung des Generators in Dreiecksschaltung auf das Netz verbunden ist; b) eine Grundschaltung, bei welcher 21 Schalter vorhanden sind, bei welcher die offene Dreiphasenwicklung des Generators in Sternschaltung auf das Netz verbunden ist;

<tb>Fig. 3<sep>eine Grundschaltung mit einem Generator mit 18-phasiger Wicklung, wobei jede Phasenverbindung individuell auf die Netzphasen über Schalter verbunden wird;

<tb>Fig. 4<sep>eine Grundschaltung mit Überspannungsbegrenzung;

<tb>Fig. 5<sep>eine Grundschaltung mit 18 Schaltern, bei welcher die offene Dreiphasenwicklung eines Transformators in Dreiecksschaltung auf den Generator verbunden ist;

<tb>Fig. 6<sep>eine Grundschaltung, bei welcher der Generator in Dreiecksschaltung verbunden ist, und bei welcher zusätzliche Elemente zur Dämpfung vorgesehen sind; und

<tb>Fig. 7<sep>eine Schaltung, bei der die erfindungsgemässe Schaltergruppe mit einem konventionellen Leistungsschalter kombiniert ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0032] Fig. 1 zeigt einen Generatorschalter, welcher gewissermassen als Matrixschaltung aufgebaut ist. Eine als Generator 1 ausgebildete Wechselstrom-Quelle mit drei Statorwicklungen 20 verfügt über drei Generatorphasen u, v, und w, welche aus einer in Stern geschalteten Statorwicklung hervorgehen. Jede dieser Generatorphasen ist jeweils über eine Schaltergruppe 16 mit drei Phasen n1, n2 sowie n3 einer Last, d.h. hier des Netzes 3, verbindbar.

Jede dieser Schaltergruppen 16 verfügt über drei Leistungsschalter 9, mit welchen die jeweilige Generatorphase u, v, oder w je nach Situation an eine der drei Netzphasen n1, n2, oder n3 angeschlossen werden kann.

[0033] Wie in der vergrösserten Darstellung sichtbar, kann es sich beim Leistungsschalter 9 um antiparallel geschaltete Thyristoren 10 handeln, oder zum Schalten von grossen Leistungen um Serie- und/oder Parallelanordnungen von antiparallel geschalteten Thyristoren 10. Auch können die bereits genannten "Bi-Directional Control Thyristors" verwendet werden.

[0034] Eine Schalteinheit 6 erfasst die Spannungen von Generator 1 und Netz 3 und steuert über eine Steuerleitung 7 die bestdeckenden Leistungsschalter 9 an.

Dies wird realisiert, indem die Generatorphasen u, v, und w über entsprechende Anordnungen von Messwandlern 4 überwacht werden, und indem die Netzphasen n1, n2, und n3 ebenfalls über Anordnungen von Messwandlern 5 überwacht werden. Die Messwandler überwachen vorzugsweise die Spannungen der Generatorphasen und der Netzphasen.

[0035] Die von den Messanordnungen 4, 5 ermittelten Messwerte werden von der Schalteinheit 6 aufgenommen und von dieser ausgewertet.

Die Schalteinheit 6 vergleicht die relativen Spannungs-Verhältnisse der Generatorphasen und der Netzphasen und bestimmt, welche Gruppe von Schaltern in der vorliegenden Situation geeignet ist, die schnellstmögliche Zuschaltung des Generators 1 zum Netz 3 vorzunehmen.

[0036] Generell ist es betrieblich von Vorteil, wenn die Zuschaltung dann erfolgt, wenn die Generatorphase in Spannungsdeckung mit der nächstliegenden Netzphase ist, oder wenn sie winkelmässig etwas voreilend zur nächstliegenden Netzphase ist. Ein erster Leistungsimpuls geht dann erwünschtermassen in Richtung Netz. Je nach Bedingungen wird also entweder die Schaltung u-n1; v-n2; w-n3; oder die Schaltung u-n2; v-n3; w-n1; oder aber die Schaltung u-n3; v- n1; w-n2 vorgenommen.

Entsprechend muss auch im Extremfall nicht der volle Phasenzyklus abgewartet werden, bis das Netz wieder aufgeschaltet werden kann, sondern es reicht im Maximum, ein Drittel des Phasenzyklus abzuwarten. Dies erlaubt zum Beispiel auch bei klassischem Fehlwinkel 120 deg. oder 240 deg. ein Zuschalten. Wenn beispielsweise der Generator bei plötzlicher Fortschaltung vom Netz die Drehzahl beschleunigt, muss für ein Wiederzuschalten nicht ein Wiedererscheinen von 360 deg. = 0 deg. abgewartet werden, sondern es kann zu früheren Zeitpunkten zugeschaltet werden. Dies führt zu einer erhöhten Stabilität, da bei früherem Zuschalten auch der Schlupf noch nicht stark entwickelt und somit kleiner ist, bzw. es kann für vorgegebenen, limitierten Schlupf eine erweiterte Zuschaltzeit freigegeben werden.

[0037] Der Schalteraufbau kann vorteilhaft baulich in den Generator integriert werden.

Es kann dabei zum Beispiel eine Kühlung, wie sie in der DE 10 310 307 A1 beschrieben ist, zur Anwendung gelangen. Der Generator wird dann die übliche Anzahl Klemmen zum Transformator aufweisen.

[0038] An Stelle von Thyristoren können aktiv abschaltbare Halbleiterelemente verwendet werden, wie z.B. GTOs. Diese können im Falle einer Kurzschlussabschaltung aktiv abgeschaltet werden, dies zur Schonung des Wellenstranges. In allen übrigen Betriebsfällen werden die GTOs wie Thyristoren nur bei Nulldurchgängen stromlos gemacht. Allenfalls können GTOs pulspaket-gesteuert als Frequenzwandler zum Hochfahren mit dem Generator als Motor zur Anwendung kommen.

[0039] Wie in Fig. 2a dargestellt, ist es auch möglich, den Generatorsternpunkt aufzutrennen und die Phasen beidseitig auf Leistungsschalter zu führen. Es liegt dann eine so genannte Dreiecksschaltung des Generators 1a vor.

Mit dieser durch Brückenschaltungen erweiterten Matrixschaltung unter Verwendung von nicht mehr nur 9 Leistungsschaltern, sondern 18 Leistungsschaltern 9, kann dann sogar in 60 -Schritten zugeschaltet werden.

[0040] Fig. 2b zeigt eine Variante, bei welcher die einzelnen Generatorwicklungen auf einen Sternpunkt 21 geführt sind, d.h. einen Generator 1b, dessen Statorwicklungen 20 in Sternschaltung verbunden sind. Auch hier ist die erfindungsgemässe Vorrichtung verwendbar, es sind dann aber 21 Leistungsschalter notwendig, wobei jeweils pro Generatorwicklung 20 eine Schaltergruppe 16 mit drei Leistungsschaltern 9 für die Verbindung zu den Netzphasen n1, n2 sowie n3 vorgesehen werden.

Weiterhin ist jede Generatorwicklung 20 über vier Leistungsschalter 8a, 8a ¾, 8b, 8b ¾ in Abhängigkeit der Polarität mit dem Sternpunkt 21 verbindbar.

[0041] Die zwei verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten sind in der obersten Darstellung schematisch durch eine ausgezogene Linie (Schalter 8a und 8a ¾ geschlossen, Schalter 8b und 8b ¾ offen) bzw. durch eine gepunktete Linie (Schalter 8a und 8a ¾ offen, Schalter 8b und 8b ¾ geschlossen) angedeutet.

[0042] Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, kann der Generator 1 auch mit einer Statorwicklung in Ringschaltung mit m Anzapfungen (in Fig. 3 handelt es sich konkret um 18 Anzapfungen, auch z.B. 21 Anzapfungen sind möglich) ausgeführt sein. Die Matrix weist m x n Leistungsschalter auf (in Fig. 3 60 Schalter).

Der Materialaufwand nimmt entsprechend zu, dafür ist hier auch ein längerdauernder elektrischer Schlupfbetrieb mit kleinem Schlupf denkbar, indem wiederholend in Zeitschritten von Spannungsperioden oder einer Vielzahl davon in einer erweiterten Zuschaltlogik entschieden wird, wann vom Netz abgetrennt und auf eine um einige Winkelgrade verschobene Anzapfung weitergeschaltet wird. In Unterschied zu einem Matrixumrichter wird hier mit einer Vollwellenansteuerung gearbeitet.

[0043] Wie in Fig. 4 dargestellt, ist es möglich, die vorgeschlagene Schaltungsanordnung mit einem Überspannungsschutz 12 in so genannter Summenbeschaltung zu kombinieren. Dabei dient eine zusätzlich vorgesehene Diodenbrücke mit Dioden 13, welche sowohl mit den Generatorphasen u, v, w als auch mit jeder der Netzphasen n1, n2, n3 verbunden ist, als Überspannungsschutz 12.

Mit der Diodenbrücke ist wenigstens eine als Kondensator ausgebildete Dämpfungskapazität 14 verbunden, vorzugsweise in Kombination mit einem parallel dazu angeordneten Widerstand 15 im Sinne einer RC-Last 22.

[0044] Der Kondensator ist im Normalbetrieb auf Scheitelwert der verketteten Spannung aufgeladen. Die Kapazität bestimmt sich aus der Energie, welche beim Abschalten der beteiligten Induktivitäten frei wird, und der erlaubten Überspannung, welche am Kondensator mit der Übernahme dieser Energie auftritt. Der Widerstandswert des Widerstandes 15 richtet sich nach der gewünschten Erholzeit, um den Kondensator auf Normalspannung zurückzubringen.

[0045] Fig. 5 illustriert, wie die vorgeschlagene Schaltung an einen als Netztransformator ausgebildeten Transformator 2 angebaut oder in einen solchen baulich integriert werden kann (dies analog zu den bekannten Stufenschaltern).

Es ist dargestellt, wie die Schaltungsanordnung beim Transformator 2 generatorseitig angeordnet werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schaltungsanordnung netzseitig anzuordnen. Die einzelnen Wicklungen 17 des Transformators 2 auf der Seite der Schaltungsanordnung sind in Brückenschaltung ausgerüstet, wobei die Wicklungen 17 wiederum beidseitig über Schaltergruppen 16 auf jede der Generatorphasen u, v, w verbunden sind.

[0046] Fig. 6 illustriert, wie ausserdem Dämpfungselemente 18 zur Dämpfung von Einschaltpendelungen vorgesehen werden können. Dazu werden transient zuschaltbare Widerstände 19 in jeder Generatorphase angeordnet. Die erforderliche Grösse der Widerstände kann aus der bekannten Abhängigkeit von Rotorträgheitskonstante, Generator und Netzinduktivitäten auf aperiodische Dämpfung ermittelt werden.

Typische Widerstandswerte liegen im Bereich von 5% der Generator-Nennimpedanz.

[0047] Fig. 7 zeigt die kombinierte Verwendung der erfindungsgemässen Schaltergruppe 16 mit einem konventionellen Leistungsschalter 23, welcher auf Generatorseite oder Netzseite des Transformators liegen kann. In diesem Fall kann der Leistungsschalter 23 für Kurzschluss-Abschaltung und Wiederzuschaltung auf das Netz sorgen. Die Schalter 9 müssen dann nicht Störströme schalten, sondern nur leitend führen. Die stromlose beste Selektion der Phasenlage für das Wiederzuschalten erfolgt mit Schaltern 9. Die Schalter 9 können damit weniger aufwändig dimensioniert werden.

[0048] Zur Absicherung wird bei der Betriebsweise die Programmierung der Schalteinheit 6 derart eingestellt, dass keine Kurzschlüsse möglich sind.

Entsprechend wird eine inhärente unabhängige Verriegelungslogik vorgesehen, welche verhindert, dass zum Beispiel Schalter zwischen Netzphasen oder Generatorphasen Kurzschlüsse erzeugen können.

Bezugszeichenliste

[0049]
1 : Quelle, Generator
1a : Generator in Dreieckschaltung
1b : Generator in Sternschaltung
2 : Transformator
3 : Last, Netz
4 : Messanordnung, Messwandler, Generator-Spannungswandler
5 : Messanordnung, Messwandler, Netz-Spannungswandler
6 : Schalteinheit, Zuschaltlogik
7 : Steuerleitung
8a, 8b, 8a ¾, 8b ¾ : Leistungsschalter für unterschiedliche Sternschaltung
9 : Leistungsschalter
10 : Thyristor
11 : Matrix
12 : Überspannungsschutz
13 : Diode
14 : Dämpfungskapazität
15 : Widerstand
16 : Schaltergruppe
17 : Wicklung von 2
18 : Dämpfungselement
19 : Widerstand
20 : Statorwicklung von 1
21 : Sternpunkt
22 :

RC-Last
23 : konventioneller Leistungsschalter
u,v,w : Phasen der Quelle, Phasen des Generators, Generatorphasen
n1, n2, n3 : Phasen der Last, Phasen des Netzes, Netzphasen

Claims

1. Vorrichtung zur Trennung und/oder zur Verbindung von m Phasen (u,v,w)) einer Wechselspannung abgebenden Quelle (1) von n Phasen (n1, n2, n3) einer Last (3), dadurch gekennzeichnet, dass jede der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) jeweils unabhängig über wenigstens einen Leistungsschalter (9) mit jeder der n Phasen der Last (3) in einer m x n Matrix verbunden ist, dass erste Messanordnungen (4) zur Überwachung der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) sowie zweite Messanordnungen (5) zur Überwachung der n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) vorgesehen sind, und dass eine Schalteinheit (6) vorgesehen ist, welche den Schaltzustand der Leistungsschalter (9) in Abhängigkeit des Zustandes der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) und der n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) kontrolliert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Quelle um einen Generator (1) und bei der Last um ein Netz (3) handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Quelle um einen Generator (1) mit nachgeschaltetem Transformator (2) handelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Last um ein Netz (3) mit vorgeschaltetem Transformator (2) handelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1) Statorwicklungen (20) aufweist, welche in Dreiecksschaltung geschaltet sind, und welche beidseitig über Schaltergruppen (16) mit jeweils n Leistungsschaltern (9) auf die n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1) Statorwicklungen (20) aufweist, welche in Sternschaltung mit einem Sternpunkt (21) angeordnet sind, wobei jede der Statorwicklungen (20) beidseitig jeweils über Leistungsschalter (8a, 8b ¾) mit dem Sternpunkt (21) verbunden ist und jeweils über Leistungsschalter (8a ¾, 8b) mit den Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) verbunden ist, wobei zwischen den Leistungsschaltern (8a ¾, 8b) und den Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) eine Schaltergruppe (16) mit n Leistungsschaltern (9) angeordnet ist, welche individuelle Verbindungen zu den einzelnen Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) erlaubt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer, bevorzugt sämtliche Leistungsschalter (9) als elektronische Leistungsschalter (9) ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektronische Leistungsschalter (9) wenigstens 2 antiparallel geschaltete Thyristoren (10) umfasst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der elektronischen Leistungsschalter (9) Thyristoren (10) auf der Technologiebasis Siliziumkarbid enthält.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der elektronischen Leistungsschalter (9) wenigstens zwei gegenläufig in Serie geschaltete Insulated Gate Bipolar Transistor-Elemente und/oder Gate Turn-Off Thyristor-Elemente, insbesondere in Form von Siliziumkarbid-Gate Turn-Off Thyristor-Elementen, mit jeweils antiparallel dazugeschalteten Dioden umfasst.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter (9) wenigstens teilweise in den Generator (1) und/oder in den Transformator (2) integriert sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Generator (1) mit einer Leistung von mehr als 1 MW, bevorzugt mit einer Leistung im Bereich oberhalb von 50 MW bis insbesondere oberhalb von 2000 MW handelt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1) 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 oder 24 Phasen (u, v, w) aufweist und das Netz (3) 3 oder 6 Phasen (n1, n2, n3) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Überspannungsschutz (12) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Überspannungsschutz (12) eine Diodenbrücke vorgesehen ist, welche Überspannungsenergien auf eine Dämpfungskapazität (14) umleitet.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Generatorphasen (u, v, w) sowie die jede der Netzphasen (n1, n2, n3) über die Diodenbrücke mit einer RC-Last (22) verbunden sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hauptstrompfaden zusätzlich Dämpfungselemente (18) zur Reduktion von Einschaltpendelungen vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungselemente (18) in Form von transient zuschaltbaren Widerständen (19) in jeder der Generatorphasen (u, v, w) vorgesehen sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Leistungsschalter (9) im Maschinengehäuse des Generators (1) untergebracht ist und durch die Kühlungsmittel des Generators (1) oder durch unabhängige Kühlungsmittel insbesondere in Form eines eigenständigen Kühlkreislaufes gekühlt wird.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Leistungsschalter (9) im Gehäuse des Transformators (2) untergebracht ist und durch das Kühlungsmittel des Transformators (2) oder durch unabhängige Kühlungsmittel gekühlt wird.

21. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verbindung und/oder zum Trennen von m Phasen (u, v, w) eines Generators (1) von n Phasen (n1, n2, n3) von einem Netz (3), wobei jede der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) jeweils unabhängig über wenigstens einen Leistungsschalter (9) mit jeder der n Phasen der Last (3) in einer m x n Matrix verbunden ist, und erste Messanordnungen (4) zur Überwachung der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) sowie zweite Messanordnungen (5) zur Überwachung der n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) vorgesehen sind, und wobei eine Schalteinheit (6) den Schaltzustand der Leistungsschalter (9) in Abhängigkeit des Zustandes der m Phasen (u, v, w) des Generators (1) und der n Phasen (n1, n2, n3) des Netzes (3) zur Verbindung und/oder zum Trennen von Phasen (u, v, w) des Generators (1) von einem Netz (3) kontrolliert.

22. Verfahren zur Trennung und/oder zur Verbindung von m Phasen (u, v, w) einer Wechselspannung abgebenden Quelle (1) von n Phasen (n1, n2, n3) einer Last (3), dadurch gekennzeichnet, dass jede der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) jeweils unabhängig über wenigstens einen Leistungsschalter (9) mit jeder der n Phasen der Last (3) in einer m x n Matrix verbunden wird, wobei immer höchstens n Leistungsschalter (9) geschlossen oder geöffnet werden, dass erste Messanordnungen (4) zur Überwachung der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) sowie zweite Messanordnungen (5) zur Überwachung der n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) vorgesehen sind, und dass eine Schalteinheit (6) den Schaltzustand der Leistungsschalter (9) in Abhängigkeit des Zustandes der m Phasen (u, v, w) der Quelle (1) und der n Phasen (n1, n2, n3) der Last (3) kontrolliert.

23. Verfahren nach Anspruch 22 mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schalteinheit (6) eine Verriegelungslogik verhindert, dass Leistungsschalter (9) zwischen Netzphasen (n1, n2, n3) und/oder Generatorphasen (u, v, w) Kurzschlüsse erzeugen.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schalteinheit (6) die n auf die Last (3) geschalteten Phasen der Quelle (1) unter sich symmetrisch verteilt werden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung der m Phasen der Quelle (1) und/oder die Überwachung der n Phasen der Last (3) über die Erfassung einer jeweiligen Referenzphase erfolgt, wobei das Raster für die Zuschaltbarkeit in einer oder beiden der Messanordnungen (4, 5) oder in der Schalteinheit (6) gebildet wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung der Quelle (1) zur Last (3) erfolgt, wenn die Phase (u, v, w) der Quelle (1) in Spannungsdeckung mit der nächstliegenden Phase (n1, n2, n3) der Last (3) ist, oder wenn sie bereits etwas voreilend zur nächstliegenden Phase der Last (3) ist.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Gruppe von n geschlossenen Leistungsschaltern (9), sobald der lastseitige Strom einen Schwellenwert überschreitet und/oder die lastseitige Spannung einen Schwellenwert unterschreitet, im Wesentlichen alle Leistungsschalter (9) gleichzeitig oder in einer geregelten kurzen Folge geöffnet werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von n Leistungsschaltern (9) automatisch, gegebenenfalls nach einer vorgegebenen Verzögerung, nach einem Öffnungsvorgang wieder geschlossen wird, wenn die netzseitige Spannung einen Schwellenwert wieder überschreitet.