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Dokumentenidentifikation DE69736472T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000908001
Titel UNABHÄNGIGE LASTVERTEILUNG VON PARALLEL GESCHALTETEN GLEICHSTROMLEISTUNGSSYSTEMEN
Anmelder Eaton Power Quality Corp., Cleveland, Ohio, US
Erfinder TASSITINO, Jr., Frederick, Wake Forest, NC 27587, US;
TRACY, G., John, Raleigh, NC 27612, US
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69736472
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.06.1997
EP-Aktenzeichen 979340114
WO-Anmeldetag 24.06.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/US97/10983
WO-Veröffentlichungsnummer 1997050170
WO-Veröffentlichungsdatum 31.12.1997
EP-Offenlegungsdatum 14.04.1999
EP date of grant 09.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H02M 7/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02M 7/5387(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H02J 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H02M 7/48(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nutzen des Wechselstromausgangsleistungspegels eines Leistungssystems, so dass eine Kommunikation zwischen parallelen redundanten Leistungssystemen zum Koordinieren von Lastverteilung bzw. gemeinsamer Lastnutzung nicht notwendig ist. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Technik, durch die die für die Lastverteilung notwendige Information nur von dem Ausgangsleistungspegel jedes Leistungssystems derart abgeleitet wird, dass der Ausgang eines Leistungssystems bzw. Leistungsversorgungssystems inhärent phasenverriegelt bzw. in der Phase eingerastet ist mit dem Ausgang von anderen Leistungssystemen, mit denen es parallel geschaltet ist.

Beschreibung des Standes der Technik

US-A-5446645 greift das Problem der Lastverteilung an in einem ununterbrechbaren Leistungssystem mit einer Vielzahl von parallelen Invertern.

US-A-3,675,037 bezieht sich auf den synchronen parallelen Betrieb von statischen Invertern und beschäftigt sich speziell mit der Harmonisierung einer Vielzahl von unabhängigen Invertern, so dass jeder in gleicher Weise bei der Leistungsversorgung teilnimmt und mit dem gemeinsamen Lastsignal synchronisiert ist, so dass Zirkulationsströme zwischen den Invertern vermieden werden.

Zusammenschalten bzw. Verbinden von zwei oder mehr Leistungssystemen auf eine parallele redundante Art und Weise ist eine notwendige Anforderung für diejenigen, die immer höhere und höhere Leistungsverfügbarkeit benötigen. Aus diesem Grund werden die Ausgänge sowohl von statischen als auch Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrom-(Alternating Current, AC)-Leistungssystemen häufig gemeinsam parallel verbunden, wie in 1 gezeigt. Der Zweck dieser Konfiguration ist typischerweise die Kapazität des Gesamtleistungssystems zu erhöhen und auch Redundanz vorzusehen im Fall des Versagens eines der parallelen t11-e-Leistungssysteme. Diese Systeme werden typischerweise mit 50 oder 60 Hertz betrieben, um elektrische Leistung für eine Last vorzusehen. Ein Beispiel wären mehrfache statische unterbrechungsfreie Leistungsversorgungssysteme (Uninterruptable Power Systems, UPS), wobei deren Ausgänge, wie in 1 gezeigt, zusammen geschaltet sind.

Wie in 1 dargestellt ist, nutzen parallele redundante Leistungsversorgungssysteme nach dem Stand der Technik Zwischeneinheitssignalisierung zum Erleichtern von Lastverteilung. Wie in dem Beispiel von 1 kann eine Vielzahl von unterbrechungsfreien Leistungsversorgungssystemen (UPSs) 1 ansprechend auf eine dreiphasige Wechselstromeingangsspannung in einer parallelen redundanten Kapazitätskonfiguration verbunden sein, um eine konstante Wechselstromausgangsspannung für eine Last 2 vorzusehen. Jede UPS 1 ist mit einer Gleichstrom-(DC)-Spannungsquelle (Batterie) 3 auf eine herkömmliche Art und Weise verbunden, um eine konstante Leistung in dem Fall eines Wechselstromleistungsausfalls vorzusehen. Wie dargestellt sind Lastverteilungsschaltkreise 4 mit jeder UPS 1 assoziiert zum Erleichtern von Zwischeneinheitssignalisierung für Lastverteilung bzw. Lastteilung und selektive Auslösung unter Verwendung entweder eines "Abweichung-vom-Durchschnitt"-Echtzeitstromsignals auf einem "Abweichung-vom-Durchschnitt"-Bus oder einem Synchronisierungssignal, das auf einem Synchronisierungssignalbus vorgesehen ist. Solche Busse können gewöhnliche Verdrahtung oder Glasfaserverkabelung sein. Im Allgemeinen, falls ein Fehler detektiert wird, löst der entsprechende Schalter oder das entsprechende Relais 5 aus, um die fehlerhafte UPS 1 von dem Leistungskreis zu entfernen, um dadurch eine konstante Wechselstromausgangsspannung auf der Last 2 beizubehalten.

Eine Anforderung für derartige Wechselstromleistungssysteme, die parallel verbunden sind, ist, dass jedes System die Ausgangslast 2 teilt, so dass jede Einheit einen gleichen Anteil der Ausgangslast 2 besitzt. Diese Technik ist bekannt als Lastteilung bzw. Lastverteilung. Die Amplitudendifferenz und die Phasendifferenz der Wechselstrom-(Alternating Current, AC)-Ausgangsspannungen zwischen den Leistungssystemen 1 zusammen mit ihren Ausgangsimpedanzen bestimmen, wie die Leistungssysteme 1 die Systemlast 2 verteilen werden. Aufgrund der Ausgangsimpedanz der Leistungssysteme 1 verursacht die Amplitudendifferenz hauptsächlich eine Blindleistungsdifferenz und die Phasendifferenz verursacht hauptsächlich eine Wirkleistungsdifferenz. Von einer Amplitudendifferenz ist gezeigt worden, dass sie ohne eine Lastverteilungstechnik tolerierbar und verwaltbar ist. Andererseits ist Phasendifferenz nicht tolerierbar. Die Wechselstromleistungssysteme 1 müssen phaseneingerastet bzw. phasenstarr sein, um mit ihren parallel zusammen geschalteten Ausgängen betrieben zu werden. Die Frequenz der Wechselstromausgangsspannung eines Leistungssystems wird gesteuert, so dass sie entweder mit einer festen Frequenz frei läuft oder phasenstarr ist gegenüber einer Referenzquelle, wie zum Beispiel einer alternierenden Leistungsquelle. Somit ist die Lastverteilungsphasensteuerung typischerweise in den Frequenzcontroller oder den Phasenregelkreis-(phase lock loop)-Controller integriert. Zwei konventionelle Techniken, die zum Vorsehen von Lastverteilung zwischen parallelen Wechselstromleistungssystemen verwendet werden, sind bekannt als gemeinsame Synchronisationslastverteilung und Abweichung-vom-Durchschnitt-Lastverteilung. Beide Schemata erfordern Zwischenverbindungen zwischen den parallelen Leistungssystemen und den Lastverteilungsschaltkreisen 4 (1) für Signalverarbeitung und Koppelung. Wie in dem Beispiel der 1 können parallele Leistungssysteme eines oder beide Schemata einsetzen.

Die gemeinsame Sync-Lastverteilungstechnik nutzt ein gemeinsames Synchronisationssignal zum Einrasten der Phase der Ausgänge der Leistungssysteme 1. Das gemeinsame Synchronisationssignal auf dem Sync-Bus kann von einem Beitrag von allen Leistungssystemen 1 abgeleitet werden, kann abgeleitet werden von einem Master- bzw. Hauptcontroller oder von einer gemeinsamen phasenstarren alternierenden bzw. alternativen Leistungsquelle. Wie in 1 gezeigt, sind das Signal bzw. die Signale mit jedem Leistungssystem 1 verbunden und jedes Leistungssystem überwacht das Synchronisationssignal und rastet die Phase auf das Sync-Signal ein, das zwischen den Leistungssystemen über den Sync-Bus verteilt wird. Das Sync-Signal muss an jedem Leistungssystem 1 vorhanden sein und funktionieren oder ein alternatives oder redundantes Mittel muss auch vorgesehen sein.

In der Abweichung-vom-Durchschnitt-Lastverteilungstechnik werden andererseits die Phasendifferenzen zwischen den Leistungssystemausgangsströmen und dem Lastverteilungsbus vektoriell addiert zu einem Signal mit niedrigem Pegel bzw. Niveau, das die Ausgangsspannung des Leistungssystems repräsentiert. Diese vorgespannte (biased) Spannung mit niedrigem Pegel wird verwendet zum Einrasten der Phase der Ausgangsspannungen der Leistungssysteme 1 auf den durchschnittlichen Systemwert. Typischerweise werden AC-Stromumwandler genutzt zum Abfühlen eines Leistungssystemausgangsstroms und das abgefühlte Stromsignal wird mit dem "Abweichung-vom-Durchschnitt"-Lastverteilungsbus (1) über einen Widerstand verbunden. Wie in 1 gezeigt, wird der Abweichung-vom-Durchschnitt-Lastverteilungsbus mit jedem parallelen Leistungssystem verbunden und der Spannungsabfall über den Widerstand ist die Abweichung bzw. Differenz vom Durchschnittssignal, die vektoriell addiert wird zu einem Signal, das die Ausgangsspannung repräsentiert und zur Phasensteuerung genutzt wird. Das resultierende vorgespannte Signal sieht Information vor, die genutzt wird zum Einrasten der Phase der Leistungssysteme 1.

Die Verwendung der "Abweichung-vom-Durchschnitt"-Lastverteilung oder der Lastverteilung mit gemeinsamem Synchronisationssignal ist allgemein üblich.

Wie gerade bemerkt, ist jedoch eine Zwischeneinheitssignalisierung zwischen den parallelen redundanten Leistungssystemen für jede dieser Techniken erforderlich, damit sie effektiv funktioniert. Leider ist die Nutzung solcher Zwischeneinheitssignalisierung anfällig für Unterbrechung und muss selbst redundant sein, um das Erzeugen eines einzelnen Versagenspunktes für die anderweitig total redundanten parallelen Leistungssysteme zu vermeiden. Daher ist eine Lastverteilungstechnik wünschenswert, die einen derartigen einzelnen Ausfallpunkt nicht besitzt.

Die zusätzliche Signalisierung und die zusätzlichen internen Schaltkreise, die für die parallelen redundanten Leistungssysteme für Lastverteilungszwecke nach dem Stand der Technik erforderlich sind, besitzen auch einen nachteiligen Einfluss auf die Zuverlässigkeit. Tatsächlich haben die physikalischen Verbindungen zwischen den Leistungssystemen und die zusätzlichen Schaltkreise in jedem Leistungssystem viele Nachteile. Zum Beispiel, falls ein Draht kurzgeschlossen wird oder unterbrochen wird, der Lastverteilungs- und/oder gemeinsame Synchronisationsschaltkreise innerhalb jedes Leistungssystems zusammen verbindet, geht die Lastverteilungsfähigkeit des Leistungssystems verloren. Um diesen Nachteil zu überkommen, erfordern einige Leistungssysteme redundante Verdrahtung. Zusätzliche Schaltkreise werden auch hinzugefügt zum Detektieren unterbrochener oder kurzgeschlossener Verdrahtung. Auch machen es die Anforderungen an die Verdrahtung viel schwieriger, die redundanten parallelen Leistungsversorgungssysteme nach dem Stand der Technik zu installieren. Spezielle Verdrahtungsanforderungen, wie zum Beispiel Drahtstärke, verdrillte Zweidrahtleiter (twisted pair), verdrillte Dreidrahtleiter (twisted triplets) und in einigen Fällen Glasfaserkabel werden angegeben. Speziell trainierte Serviceingenieure sind typischerweise erforderlich, um die Zwischenverbindungen über spezielles Testen zu verifizieren, bevor die Einheit kommissioniert wird. Falls nicht alle Zeichnungsdetails erfüllt werden, könnten nicht detektierte Probleme auftreten.

Zusätzlich ist die Zwischenverbindungsverdrahtung zwischen den Leistungssystemen nach dem Stand der Technik direkt mit Schaltkreisen innerhalb jeder Einheit verbunden. Diese Schaltkreise treiben sowohl als auch nutzen sie die Signale auf den Zwischenverbindungsdrähten. Ein ausgefallener Schaltkreis könnte ein Signal auf dem Zwischenverbindungsdraht korrumpieren und der Ausfall könnte von dem Lastverteilungssignal nicht entfernbar sein. Die ausgefallene Einheit muss entweder den Fehler von dem Lastverteilungssignal entfernen oder ein redundanter Lastverteilungsschaltkreis und Zwischenverbindungsdraht müsste zwischen den "guten" Leistungssystemen verbunden werden.

Typischerweise werden analoge und digitale Lastverteilungssignale mit niedriger Spannung zwischen den parallel geschalteten Leistungssystemen verbunden. Schaltkreise müssen hinzugefügt werden zum Übertragen und Empfangen dieser Signale. Zusätzlich müssen Schaltkreise hinzugefügt werden, um die Lastverteilungsschaltkreisreferenz (Masse, GND) von der Leistungssystemlogikreferenz zu isolieren. Selbst mit Isolation kann der Abstand von jedem Leistungssystem die Lastverteilung aufgrund der Effekte von Rauschen beeinflussen. Verdrahtung mit hohem Querschnitt wird manchmal verwendet, um sowohl Referenz- als auch Distanzprobleme zu überwinden. Solche Schaltkreise sowie auch die Interface-Schaltkreise, wie zum Beispiel Stromumformer, Verdrahtung und gedruckte Leiterplatten sind häufig ziemlich teuer. Leistungssysteme nach dem Stand der Technik von der in 1 dargestellten Art können auch Schaltkreisverstärkungsprüfungen unter Verwendung eines Spannungsanstiegstest erfordern, der erfordert, dass mindestens ein Leistungssystem online bzw. angeschlossen ist. Dieser Test kann die Ausgangsspannungsamplitude und Frequenz des angeschlossenen Leistungssystems beeinflussen.

Dementsprechend ist auch eine Lastverteilungstechnik wünschenswert, die es erlaubt, dass die Leistungssysteme unabhängig betrieben werden, so dass sie nicht abhängig sind von extern abgeleiteter Information, wie zum Beispiel dem "Abweichung-vom-Durchschnitt"-Signal zum Vorsehen effektiver Lastverteilung und den begleitenden Schaltkreisen und Verbindungen, die zu den oben erwähnten Problemen führen können. Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, zuverlässigere Techniken zur Lastverteilung vorzusehen, die vorzugsweise die Zwischeneinheitssignalisierung für die Leistungssysteme nicht erfordern zum Betrieb in einer vollständig parallelen redundanten Art und Weise.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannten Probleme in dem Stand der Technik durch Vorsehen eines parallelen redundanten Leistungsversorgungssystems, das keinerlei Zwischeneinheitssignalisierung nutzt, und zwar gemäß Anspruch 1 und durch Vorsehen von zwei Verfahren nach den Ansprüchen 13 und 23. Jedes Leistungssystem erreicht Lastverteilung durch Nutzen seines eigenen Ausgangsleistungspegels. Mit anderen Worten kann ein Leistungssystem gemäß der Erfindung unabhängig Last mit anderen Leistungssystemen verteilen, ohne irgendeine Art von Steuerung oder Kommunikationsverbindung von anderen Einheiten. Als ein Ergebnis ist keine Signalisierung oder Verdrahtung von den anderen Leistungssystemen für die Lastverteilung erforderlich.

Die vorliegende Erfindung kombiniert die grundlegenden Beziehungen von Phase zu Frequenz, von Phasendifferenz zu Leistungsdifferenz und von Frequenzdifferenz zu Änderung im Leistungspegel in einer Technik, die es erlaubt, dass ein Wechselstromleistungssystem inhärent phasenstarr mit anderen Leistungssystemen ist, die mit seiner Wechselstromausgangsspannung parallel verbunden sind. Gemäß der Erfindung ist der Ausgangsleistungspegel eines Wechselstromleistungssystems das Einzige was notwendig ist zum Vorsehen von effektiver Lastverteilung. Im Speziellen werden die Ableitung des Ausgangsleistungspegels &Dgr;P und der aktuelle Leistungspegel P genutzt zum Steuern der Ausgangsfrequenz und Phase eines Leistungssystems, um inhärent die Phase seiner Ausgangsspannung mit den Ausgängen von anderen parallel geschalteten Leistungssystemen einzurasten. Bei einem statischen Wechselstromleistungssystem, das Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) konvertiert, ist die Wahl von DC gegenüber AC-Leistungsmessungen beliebig.

Diese Technik kann genutzt werden zum Verteilen von Last mit entweder einem ungesteuerten Leistungssystem oder anderen Leistungssystemen, die unter Verwendung dieser gleichen Technik gesteuert werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein paralleles redundantes Leistungssystem in dem eine Vielzahl von parallel verbundenen Leistungssystemen AC-Leistung für eine Last über eine gemeinsame Leistungsverbindung vorsehen. Jedes parallele Leistungssystem führt eine Selbstüberwachung seines Leistungsausgangs durch und stellt sich je nach Bedarf ein zur Lastverteilung mit anderen parallel verbundenen bzw. parallel geschalteten Einheiten. Ferner ist jedes der parallel verbundenen Leistungssysteme geeignet, als eine einzelne Stand-Alone- bzw. autonome Einheit betrieben zu werden, während sie die gleiche Selbstüberwachung und Einstellungen ausführt, die für parallelen Betrieb erforderlich sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist mindestens eines der Leistungssysteme Folgendes auf: Mittel zum Erzeugen einer Wechselstromausgangsspannung von einer Gleichstromeingangsleistungsquelle, Mittel zum Abtasten einer Gleichstromeingangsspannung von der Gleichstromeingangsleistungsquelle oder der Wechselstromausgangsspannung von den Erzeugungsmitteln zum Vorsehen von Leistungspegelproben bzw. -abtastwerten und Mittel zum Bestimmen der Wechselstromausgangsleistung von den Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmitteln aus den Leistungspegelproben. Ein Steuersignal wird dann erzeugt und für die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel vorgesehen zum Steuern der Wechselstromausgangsphase und Ausgangsfre quenz der Wechselstromausgangsspannung von den Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmitteln basierend auf dem Ausgangsleistungspegel der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel und einer Ableitung von dem Ausgangsleistungspegel der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel, um eine Lastteilung bzw. Lastverteilung auf eine proportionale Art und Weise zu beeinflussen bzw. zu bewirken, und zwar proportional zu einer Einheitsnennleistung des Leistungssystems gegenüber anderen Leistungssystemen, mit denen das Leistungssystem parallel verbunden ist, ohne eine Zwischeneinheitssignalisierung zwischen den Leistungssystemen zu erfordern.

Gemäß der Erfindung können die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel eine Dreiphasenausgangsleistung, eine einzelne Phase oder eine Splitphasenausgangsleistung erzeugen. Auch können die Abtastungsmittel Mittel aufweisen zum Abtasten von DC-Strom und DC-Spannung der DC-Eingangsleistungsquelle und Mittel zum Multiplizieren der DC-Spannung und der DC-Stromproben zum Erlangen der Leistungspegelproben. Andererseits können die Abtastungsmittel Mittel aufweisen zum Abtasten von AC-Strom und AC-Spannung der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel und Mittel zum Multiplizieren der AC-Spannung und der AC-Stromproben zum Erlangen der Leistungspegelproben.

Vorzugsweise treibt das Steuersignal die AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel zum Verteilen von Last in einem Verhältnis definiert durch die Einheitsnennleistung der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel dividiert durch eine gesamte kombinierte Nennleistung der Leistungssysteme. Auch können die AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel betrieben bzw. getrieben werden, um einen festen Betrag an Ausgangsleistung vorzusehen.

Gemäß der Erfindung berechnen die Bestimmungsmittel eine Änderung des DC-Eingangsleistungspegels zu den Erzeugungsmitteln aus den Leistungspegelproben und integrieren die Änderung der DC-Eingangsleistung über einen Eingangsfrequenzbereich der Erzeugungsmittel zum Bestimmen einer Eingangsfrequenz für die Erzeugungsmittel. Die Bestimmungsmittel berechnen auch die Änderung der Frequenz der AC-Ausgangsspannung aus der Eingangsfrequenz und dem DC-Eingangsleistungspegel und integrieren die Ableitung des Ausgangsleistungspegels der Erzeugungsmittel zum Erzeugen des Steuersignals. Die Mittel zum Vorsehen können auch Mittel aufweisen zum kontinuierlichen Integrieren der Ausgangsfrequenz hin zu einer festen Zielfrequenz oder zum kontinuierlichen Einstellen der Ausgangsfrequenz, um sie mit einer alternierenden bzw. wechselnden Leistungsquelle phasenstarr zu machen. In jedem Fall treibt das Steuersignal die AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel zum Stabilisieren der Ausgangsfrequenz und der AC-Ausgangsphase der AC-Ausgangsspannung.

Somit wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Eingangsleistung an die AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel berechnet durch die AC-Ausgangsleistungsbestimmungsmittel aus den DC-Strom- und Spannungsproben durch Multiplizieren der Spannung mal den Strom. Ein Teil von sowohl der Ableitung des Ausgangsleistungspegels als auch der Ausgangsleistungspegel selbst werden genutzt zum Steuern der Frequenz der AC-Ausgangsleistungsbestimmungsmittel auf eine Art und Weise, die veranlasst, dass die AC-Ausgangsleistung mit irgendeiner Anzahl von parallel verbundenen Leistungssystemen synchronisiert und die Last verteilt. Die Frequenz der AC-Ausgangsspannung wird zusätzlich gesteuert zum Veranlassen, dass das gesamte Leistungssystem entweder mit einer festen Frequenz betrieben wird oder um es mit einer alternierenden bzw. wechselnden Leistungsquelle zu synchronisieren.

Der Umfang der Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Vorsehen unabhängiger Lastverteilung zwischen wenigstens zwei Leistungssystemen, die parallel verbunden sind, während sie gleichzeitig mit einer festen Frequenz betrieben werden oder mit einer alternierenden bzw. wechselnden Leistungsquelle synchronisiert werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel solch eines Verfahrens gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:

Erzeugen einer AC-Ausgangsspannung von einer DC-Eingangsleistungsquelle;

Abtasten einer DC-Eingangsspannung von der DC-Eingangleistungsquelle und der AC-Ausgangsspannung von den Erzeugungsmitteln zum Vorsehen von Leistungspegelproben bzw. -abtastungen;

Bestimmen der AC-Ausgangsleistung der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel von den Leistungspegelproben; und

Vorsehen eines Steuersignals an die AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel zum Steuern der AC-Ausgangsphase und Ausgangsfrequenz der AC-Ausgangsspannung von den AC-Ausgangsspannungserzeugungsmitteln, basierend auf dem Ausgangsleistungspegel der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel und eine Ableitung des Ausgangsleistungspegels der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel, um Lastverteilung auf eine proportionale Art und Weise zu bewirken bzw. zu beeinflussen und zwar proportional zu einer Einheitsnennleistung des Leistungssystems gegenüber anderen Leistungssystemen, mit denen das Leistungssystem parallel verbunden ist, ohne eine Zwischeneinheitssignalisierung zwischen den Leistungssystemen zu erfordern.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung weist der Abtastungsschritt die Schritte des Abtastens von DC-Strom und DC-Spannung der DC-Eingangsleistungsquelle und Multiplizieren der DC-Spannungs- und der DC-Stromproben zum Erlangen der Leistungspegelproben auf. Alternativ kann der Abtastungsschritt die Schritte des Abtastens von AC-Strom und AC-Spannung der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel und Multiplizieren der AC-Spannungs- und der AC-Stromproben zum Erlangen der Leistungspegelproben aufweisen.

Das Verfahren der Erfindung kann auch die folgenden Schritte aufweisen: Treiben der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel zum Lastverteilen in einem Verhältnis, das definiert ist durch die Nenneinheitsleistung bzw. Einheitsleistungsbewertung der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel, definiert durch eine kombinierte Gesamtbewertung der Leistungssysteme oder Treiben der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel zum Vorsehen einer festen Menge an Eingangsleistung.

Eine Änderung des DC-Eingangsleistungspegels zu den AC-Ausgangsspannungserzeugungsmitteln kann auch berechnet werden aus den Leistungspegelproben und zwar integriert über einen Eingangsfrequenzbereich der AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel zum Bestimmen einer Eingangsfrequenz an die AC-Ausgangsspannungserzeugungsmittel. Die Änderung der Frequenz der AC-Ausgangsspannung kann dann bestimmt werden aus der Eingangsfrequenz und dem DC-Eingangsleistungspegel. Vorzugsweise wird die Ableitung des Ausgangsleistungspegels der Erzeugungsmittel integriert zum Erzeugen des Steuersignals. Zusätzlich kann die Ausgangsfrequenz kontinuierlich integriert werden, hin zu einer festen Zielfrequenz oder kontinuierlich eingestellt werden, um mit einer alternierenden bzw. wechselnden Leistungsquelle phasenstarr gemacht zu werden.

Einem Fachmann wird klar sein, dass die Techniken der Erfindung implementiert werden können unter Verwendung von entweder Digitalsignalverarbeitungssoftwarealgorithmen digitaler und analoger Schaltkreise oder einer Kombination von beidem.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden klarer werden und können unmittelbar gewürdigt werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden bevorzugten beispielhaften Ausführungsbeispiele der Erfindung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, wobei:

1 eine parallele redundante Konfiguration von unterbrechungsfreien Leistungsversorgungen nach dem Stand der Technik darstellt, bei denen synchrone und/oder Abweichung-vom-Durchschnitt-Lastverteilungssignale zwischen den Leistungsversorgungen auf verteilten bzw. gemeinsam genutzten Bussen zur Steuerung der Lastverteilung kommuniziert werden.

2 eine parallele redundante Konfiguration von unterbrechungsfreien Leistungsversorgungen gemäß der Erfindung darstellt, in der keine Zwischeneinheitskommunikation für Lastverteilung notwendig ist.

3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines unterbrechungsfreien Leistungssystems 10 gemäß der Erfindung darstellt.

4 ein Fluss- bzw. Ablaufdiagramm darstellt und zwar des Betriebs eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Mikrocontrollers 26 des in 3 dargestellten unterbrechungsfreien Leistungssystems 10.

5 ein Signalflussdiagramm darstellt, das die Deltaleistungslastverteilungstechnik der Erfindung darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird unten im Detail mit Bezug auf die 25 beschrieben werden. Dem Fachmann wird klar sein, dass die hierin angegebene Beschreibung nur der Erklärung dient und nicht dazu gedacht ist, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Zum Beispiel können, obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit unterbrechungsfreien Leistungssystemen (uninterruptable power systems, UPSs) beschrieben ist, die Techniken der Erfindung auch sowohl auf andere Arten von Leistungssystemen angewendet werden. Dementsprechend soll der Umfang der Erfindung nur durch den Umfang der angehängten Ansprüche beschränkt sein.

Die vorliegende Erfindung ist speziell entworfen zur Nutzung mit einem unterbrechungsfreien Leistungssystem (UPS), welches durch einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller gesteuert wird. Dementsprechend besitzt die Steuerhardware die Fähigkeit zum Digitalisieren analoger Eingangssignale, zum Durchführen mathematischer Manipulationen und Vergleiche unter Verwendung der digitalen Daten und zum Vorsehen von Steuerausgängen bzw. – ausgaben basierend auf diesen Manipulationen und Vergleichen. Ein Fachmann auf dem Gebiet des Schreibens von eingebettetem Code für Mikrocomputer oder Mikrocontroller und geübt mit digitalen Signalverarbeitungs-(digital signal processing, DSP)-Techniken sollte keine Schwierigkeit beim Implementieren der unten beschriebenen Erfindung haben.

Um die Betriebsprinzipien der Erfindung besser zu verstehen, werden zunächst die Beziehungen zwischen Leistung, Frequenz und Ausgangssignalphase beschrieben.

Aufgrund von Impedanzfehlanpassungen zwischen entsprechenden parallel geschalteten Leistungssystemen erzeugt ein Phasenfehler zwischen den Ausgangsspannungen der verschiedenen parallelen Leistungssysteme einen Wirkleistungsfehler zwischen den Leistungssystemen. Obwohl der Phasenfehler auch zu einem Blindleistungsfehler führen kann, beeinflusst dieser nicht den Betrieb der Erfindung und wird somit nicht beschrieben. Stattdessen wird beobachtet, dass der Phasenfehler einen Wirkleistungsfehler erzeugt und dass die Phase zwischen den AC-Leistungssystemen proportional zu dem Wirkleistungsfehler ist, und zwar wie in der Gleichung (1) gezeigt, wobei K_POWER eine Konstante ist (POWER ERROR = Leistungsfehler): POWER ERROR = PHASE ERROR·K_POWERGleichung (1)

Andererseits könnte Blindleistung in einem System genutzt werden, in dem ein Phasenfehler (phase error) zwischen entsprechenden Leistungssystemen eine Blindleistungsdifferenz verursacht.

Die Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen der zwei AC-Signale kann bestimmt werden durch Differenzieren des Phasenfehlers zwischen den zwei AC-Signalen. Diese Beziehung ist in Textbüchern gut dokumentiert, die die Grundlagen von Phasenregelschleifen bzw. Phase-Lock-Loops erörtern. Mit anderen Worten (FREQUENCY ERROR = Frequenzfehler): FREQUENCY ERROR = d(PHASE ERROR)/dtGleichung (2)

Wie durch Gleichung (2) angezeigt, kann der Frequenzfehler (frequency error) zwischen zwei AC-Signalen aus der Änderungsrate des Phasenfehlers bestimmt werden. Die aktuelle bzw. tatsächliche Position der Phase ist nicht wichtig. Da eine Änderung des Phasenfehlers proportional eine Änderung in dem Leistungspegel der Einheit (Gleichung (1)) erzeugen wird, kann der Frequenzfehler bestimmt werden durch Differenzieren des Ausgangsleistungspegels, obwohl die konstante Lastpegelinformation verloren geht. Im Speziellen: FREQUENCY ERROR = d(POWER LEVEL)/dt = DELTA POWERGleichung (3)

Somit ist die Deltaleistung bzw. Delta-Power die Änderungsrate des Leistungspegels, der den Frequenzfehler zwischen den Leistungssystemen repräsentiert. Wie unten detaillierter erläutert werden wird, wird die Deltapower gemäß der Erfindung genutzt zum Kompensieren der Frequenzunterschiede zwischen den Leistungssystemen, um dadurch die Lastverteilung zu ermöglichen.

Da der Frequenzfehler zwischen den zwei Leistungssystemen mit der Änderung des Ausgangsleistungspegels eines Leistungssystems zusammenhängt, besitzt der Ausgangsleistungspegel jedes Leistungssystems die notwendige Information für die Lastverteilung mit mehreren Leistungssystemen. Kurz gefasst zeigt Gleichung (3), dass die Ableitung (Änderungsrate) des Ausgangsleistungspegels eines Leistungssystems (Deltapower) den Frequenzfehler zwischen den Leistungssystemen repräsentiert. Weiterhin wird der aktuelle Leistungspegel mit "Power Level" bezeichnet verwendet zum Vorspannen der Ausgangsfrequenz des Leistungssystems, um den Phasenfehler zu korrigieren.

Diese Technik kann unabhängig funktionieren, obwohl sie typischerweise in den Phase-Locked-Loop-Controller eines AC-Leistungssystems integriert ist, der in Leistungssystemen im Allgemeinen eingebaut ist zum Verriegeln bzw. Einrasten der Phase mit einer alternierenden bzw. wechselnden Leistungsquelle. Andererseits können die Leistungssysteme eine feste Ausgangsspannungsfrequenz erzeugen. "Deltapower"-Lastverteilung gemäß der Erfindung kann in Systemen genutzt werden mit einem von beiden Arten von Controllern oder in Systemen, die beide Arten von Controllern enthalten.

2 stellt eine parallele redundante Konfiguration von unterbrechungsfreien Leistungsversorgungen gemäß der Erfindung dar. Wie in 2 dargestellt, ist zur Lastverteilung keine Zwischeneinheitskommunikation notwendig. Stattdessen überwacht jede UPS 10 ihren eigenen Leistungsausgang und steuert ihre eigene Ausgangsspannungsfrequenz unter Verwendung der "Deltapower"-Technik der Erfindung, die inhärent Phasendifferenzen mit anderen parallelen Leistungssystemen minimiert. Die "Deltapower"-Technik gemäß der Erfindung wird jetzt detaillierter mit Bezug auf 35 beschrieben werden.

3 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines unterbrechungsfreien Leistungssystems 10 gemäß der Erfindung dar, wobei keine Zwischeneinheitssignalisierung zum Vorsehen von Lastverteilung notwendig ist. Wie dargestellt wird die dreiphasige AC-Eingangsspannung an einen AC/DC-Konverter 20 geliefert, wo sie in eine DC-Eingangsspannung konvertiert wird. Alternativ kann beim Auftreten eines AC-Leistungsausfalls die DC-Eingangsspannung direkt durch eine Batterie 3 geliefert werden. Wie einem Fachmann bekannt, konvertiert ein IGBT-Inverter 22 im Allgemeinen die DC-Eingangsspannung in eine dreiphasige AC-Ausgangsspannung; die an eine Last 2 geliefert wird und zwar über eine Ausgangsleistungsverbindung einschließlich eines Festkörper- bzw. Halbleiterschalters oder -relais 5 oder eines mechanisch geschlossenen Schalters oder Relais 5.

Die Lastverteilungstechnik der Erfindung wird implementiert durch Vorsehen eines Stromumformers bzw. -wandlers 24, der mit dem Eingangsanschluss des IGBT-Inverters 22 verbunden ist, um den DC-Eingangsstrom zu detektieren, der in den IGBT-Inverter 22 fließt. Der detektierte DC-Eingangsstrom und die DC-Eingangsspannungssignale werden dann an entsprechende A/D-Konverterkanäle eines 16-Bit-Hochgeschwindigkeitsmikrocontrollers 26 geliefert, wo sie durch den Mikrocontroller 26 abgetastet werden und zum Steuern der Dreiphasenausgangsfrequenz des IGBT-Inverters 22 genutzt werden, so dass parallele Leistungssysteme die Last gleichmäßig verteilen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel digitalisiert der Mikrocontroller 26 den DC-Eingangsstrom (I) und die -spannung (V) mit einer 3-kHz-Rate bzw. – Geschwindigkeit. Zusätzlich, wie in einer parallel anhängigen Patentanmeldung erläutert ist, die an den Patentinhaber übertragen ist, und den Titel trägt "Wireless Selective Tripping of AC Power Systems Connected in Parallel" kann der Mikrocontroller 26 auch ein Auslösesignal an den Schalter oder das Relais 5 vorsehen zum Entfernen des Leistungssystems 1 von der Leistungsversorgungsschaltung, wenn ein fehlerhafter Betrieb detektiert wird.

Die Lastverteilung wird durch den Mikrocontroller 26 ansprechend auf die Verarbeitung der abgetasteten DC-Eingangsstrom- und Spannungssignale gesteuert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel implementiert der Mikrocontroller 26 das Flussdiagramm der 4 zum Verarbeiten der empfangenen DC-Strom- und Spannungsproben und zum Vorsehen des sich ergebenden IGBT-Gateantriebssignals an den IGBT-Inverter 22 zum Steuern der Ausgangsfrequenz des IGBT-Inverters 22 auf eine Art und Weise, die ihn zwingt zum Lastverteilen mit anderen parallelen Leistungssystemen. Alternativ kann der Leistungspegel direkt abgetastet werden unter Verwendung eines Leistungswandlers und für den Mikrocontroller 26 vorgesehen sein. Das Flussdiagramm der 4 würde entsprechend modifiziert werden. Vorzugsweise wird das Flussdiagramm der 4 in der Firmware des Mikrocontrollers 26 implementiert, obwohl einem Fachmann klar ist, dass das Flussdiagramm der 4 je nach Wunsch in Software oder speziell angepasster Hardware implementiert werden kann. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Algorithmus der 4 auf dem Mikrocontroller 26 mit einer 3-kHz-Rate implementiert.

Nach dem Eintritt in die Lastverteilungsroutine der 4 im Schritt 30 werden die durch den Mikrocontroller 26 empfangenen digitalisierten DC-Spannungs-(Vn)-Proben und die DC-Strom-(In)-Proben zusammen im Schritt 32 multipliziert zum Berechnen der DC-Eingangsleistung pn an dem IGBT-Inverter 22. Mit anderen Worten, pn = Vn·In. Natürlich ist der Invertereingangsleistungspegel pn proportional zu dem Inverterausgangsleistungspegel Pn (d.h. Pn = K2·pn, wobei K2 ein konstanter Gewinn ist, der die dynamische Antwort des Inverters 22 definiert). Dann wird im Schritt 34 die Änderung des Eingangsleistungspegels (&Dgr;pn) berechnet als &Dgr;pn = pn – pn-1, wobei pn der Eingangsleistungspegel für die aktuellen DC-Eingangsproben ist, und pn-1 der Eingangsleistungspegel für die vorhergehenden DC-Eingangsproben ist. Als nächstes wird im Schritt 36 die Änderung der Eingangsleistung &Dgr;pn über den Eingangsfrequenzbereich des Inverters integriert, um zu der Invertereingangsfrequenz fn zu führen und zwar wie folgt: fn = fn-1 – (K1·&Dgr;pn)–(K2·pn)Gleichung (4) wobei K1 und K2 Konstanten sind, die die dynamische Antwort des Leistungssystems definieren und fn-1 die Invertereingangsfrequenz für die vorhergehenden DC-Eingangsproben ist. Der Mikrocontroller 26 gibt dann ein IGBT-Gateantriebssignal an den IGBT-Inverter 22 im Schritt 38 aus, um die Ausgangsleistung auf die Frequenz fn zu treiben. Die Lastverteilungsroutine wird dann im Schritt 40 verlassen.

Die Änderungsrate der Ausgangsleistung wird somit genutzt, um die Frequenzen der entsprechenden Inverter zusammen auf eine feste Frequenz oder eine Frequenz einer alternierenden Leistungsquelle für die entsprechenden Leistungssysteme zu zwingen. Falls die Frequenzen der Leistungssysteme nicht die gleichen sind, werden sich die Leistungspegel des Leistungssystems ändern. Der Leistungspegel selbst wird genutzt zum Vorspannen der Inverterausgangsfrequenz zum Korrigieren von eingeschwungenen bzw. stationären Lastfehlern für Lastverteilung, so dass kein digitales Synchronisationssignal oder analoges Abweichung-vom-Durchschnitt-Signal notwendig sind zum Ändern der Ausgangsfrequenz eines bestimmten Inverters.

Wie oben angegeben, wird die Ausgangsfrequenz des IGBT-Inverters 22 derart gesteuert, dass sie entweder mit einer festen Frequenz läuft oder mit einer alternierenden Leistungsquelle synchronisiert wird. Die vorliegende Erfindung wird zusammen mit dieser Anforderung betrieben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Frequenz mit einer 3-kHz-Rate aktualisiert, und zwar aufgrund des Eingangsleistungspegels zu dem IGBT-Inverter 22. Die Frequenz wird auch einmal pro AC-Ausgangsspannungzyklus aktualisiert, um entweder mit einer festen Frequenz zu laufen oder zum Synchronisieren (zum Beispiel Phaseneinrasten bzw. Phasenstarrmachen) mit einer alternierenden Spannungsquelle.

Um das Leistungssystem 10 dazu zu bringen, mit einer festen Frequenz betrieben zu werden, wird die Ausgangsspannungsfrequenz des IGBT-Inverters 22 einmal pro Zyklus gewechselt, wie in Gleichung (5) unten gezeigt ist. Die 3-kHz-Aktualisierung, die den Eingangsleistungspegel zu dem IGBT-Inverter 22 nutzt, wird jeden Lastverteilungsfehler kompensieren, der durch diese Änderung der Inverterausgangsspannungsfrequenz verursacht wird. fn = fn-1 + K3·(TARGET FREQUENCY) – fnGleichung (5) wobei fn die Ausgangsfrequenz des IGBT-Inverters 22 für die Probe n ist, TARGET FREQUENCY bzw. Zielfrequenz die gewünschte Ausgangsspannungsfrequenz ist und K3 ein Verstärkungswert ist, der die Dynamik des Leistungssystems definiert. Diese Aktualisierung einmal pro Zyklus spannt das System vor auf seine TARGET FREQUENCY. Die Frequenzaktualisierung aufgrund des Eingangsleistungspegels an den IGBT-Inverter 22 verursacht, dass der IGBT-Inverter 22 die Systemlast verteilt.

Andererseits, zum Veranlassen, dass das Leistungssystem mit einer alternierenden bzw. wechselnden Leistungsquelle synchronisiert, während die Lastverteilung beibehalten wird, wird die Ausgangsspannungsfrequenz des IGBT-Inverters 22 einmal pro AC-Zyklus alterniert bzw. gewechselt, und zwar wie unten in den Gleichungen (6) und (7) gezeigt. Die Aktualisierung mit 3 kHz unter Verwendung des Eingangsleistungspegels an den IGBT-Inverter 22 wird jeden Lastverteilungsfehler kompensieren, der durch diese Änderung der Ausgangsspannungsfrequenz des IGBT-Inverters 22 verursacht ist. fn = fn-1 + K4·(Alternate Source Frequency – fn)Gleichung (6) Fn = fn-1 + K5·(Phase Error)Gleichung (7) wobei die "alternate source frequency" bzw. alternierende Quellenfrequenz die gewünschte Ausgangsspannungsfrequenz ist und K4 und K5 Verstärkungswerte sind, die die Dynamik des Synchronisationssystems (d.h. der Phasenregelschleife) definieren. In diesem Fall ist die aktuelle Ausgangsfrequenz des IGBT-Inverters 22, Fn, die Summe der integrierten Frequenz fn und eines Teils des Phasenfehlers zwischen der Ausgangsspannung des IGBT-Inverters 22 und der alternierenden Leistungsquellenspannung. Die Aktualisierung einmal pro Zyklus verursacht, dass die Ausgangsspannung des IGBT-Inverters 22 phasenstarr mit der alternierenden Leistungsquelle ist. Die Frequenzaktualisierung aufgrund des Eingangsleistungspegels zu dem IGBT-Inverter 22 verursacht, dass der IGBT-Inverter 22 die Systemlast verteilt und zwar gemäß den Nennspannungen der Leistungssysteme.

Um zu verursachen, dass ein Leistungssystem einen festen Ausgangslastpegel reguliert, anstatt die Lastverteilung beizubehalten, kann die Ausgangsspannungsfrequenz des IGBT-Inverters 22 einmal pro Zyklus, wie in Gleichung (8) unten gezeigt, geändert werden. Die Aktualisierung mit 3 kHz unter Verwendung des Eingangsleistungspegels an den IGBT-Inverter 22 wird den Frequenz- und Phasenbetrieb stabilisieren. fn = fn-1 + K6·(Desired Output Power Level – Actual Power Level)Gleichung (8) wobei der "Desired Output Power Level" bzw. gewünschte Ausgangsleistungspegel der Zielausgangsleistungspegel für das Leistungssystem 10 ist, der "Actual Power Level" bzw. aktueller Leistungspegel der Ausgangsleistungspegel des IGBT-Inverters 22 ist und K6 ein Verstärkungswert ist, der die Dynamik des Systems definiert.

Wie einem Fachmann klar werden wird, werden die oben angegebenen konstanten Verstärkungspegel K1, K2, K3, K4, K5 und K6 variieren, und zwar abhängig von dem Leistungssystem, der Steuertechnologie, den Leistung-zu-Phasenfehler-Verstärkungen und dem gewünschten dynamischen Betrieb. Aufgrund der Leistung-zu-Phasenfehler-Verstärkung, Implementierungstechniken, Sensorauflösung, Sensorgewinnen, Abtastraten und anderen Systemanforderungen kann eine Steuersystemanalyse erforderlich sein zum Bestimmen dieser Verstärkungen bzw. Gewinne und zum Charakterisieren des Betriebs des Systems. Diese standardartige Analyse ist einem Fachmann auf dem Gebiet der Regelsystemanalyse und des Regelsystementwurfs bekannt und wird hierin nicht beschrieben werden. So einem Fachmann ist es auch klar, dass die Änderungen der Ausgangsleistung, der Frequenzfehler, Phasenfehler und Ausgangsleistungspegelwerte auf einen vorher bestimmten Bereich beschränkt werden können, um einen wünschenswerten Systembetrieb zu erreichen. Jedoch sollte eine sorgfältige Analyse und Simulation durchgeführt werden zum Bestimmen der Effekte dieser Beschränkungen.

Ein Signalflussdiagramm für die Deltaleistungslastverteilungstechnik der Erfindung ist in 5 gezeigt. Wie für die bekannt ist, die an Signalflussdiagramme gewöhnt sind, bezeichnet ein Pfeil eine Multiplikation und eine "0" bezeichnet eine Addition. In 5 ist K_POWER (A) der Gewinn bzw. die Verstärkung von dem Phasenfehler zu der Leistungsdifferenz, (B) ist die Ableitung des Leistungspegels ("Deltapower"), (C) ist die Integration der Deltapower bzw. Deltaleistung, (D) ist die inhärente Integration der Frequenz zur Phase in einer Phasenregelschleife und K1 ist die Leistungspegelverstärkung.

Einem Fachmann wird auch klar sein, dass die parallelen Leistungssysteme in vielen Modi betrieben werden können und dass Übergänge zwischen diesen Modi zu unterschiedlichen Zeiten stattfinden können. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten des Betriebs: freilaufend mit einer festen Frequenz und phasenstarr bzw. phasenverriegelt mit einer Referenzquelle. Somit, in dem Fall mit zwei parallelen Leistungssystemen, können beide frei laufen, können beide phasenstarr sein oder eines kann frei laufen und eines phasenstarr sein. Die "Deltapower"-Lastverteilungstechnik, die hierin beschrieben ist, ist auf alle diese Modi anwendbar. Wenn mehr Leistungssysteme und Betriebsarten verfügbar werden, sind natürlich auch viel mehr Betriebsmodi möglich.

Wie oben beschrieben, basiert die vorliegende Erfindung auf dem Konzept, dass die Ableitung des Ausgangsleistungspegels eines Leistungssystems integriert werden kann zum Kompensieren von Frequenzdifferenzen zwischen parallelen Leistungssystemen. Der Leistungspegel selbst wird als eine Vorspannung verwendet und zwar auf eine Art und Weise, die feste Phasenfehler kompensiert, die zwischen zwei frequenzstarren bzw. frequenzeingerasteten Systemen existieren können. Die hierin beschriebene "Deltapower"-Technik ist eine Steuertechnik, die es erlaubt, dass unabhängige Leistungssysteme parallel betrieben werden und Last verteilen, ohne irgendwelche Zwischenverbindungsanforderungen. Sie kompensiert Fehler zwischen den Systemen und erlaubt den parallelen Betrieb, während sie betrieben wird in dem Freilaufmodus, dem phasenstarren Modus und während sie zwischen diesen Modi umschaltet oder während Leistungssysteme in verschiedenen Modi betrieben werden.

Da die "Deltapower"-Lastverteilungstechnik der Erfindung es einem Leistungssystem erlaubt, einfach seinen eigenen Ausgangsleistungspegel zu überwachen zum Vorsehen der Lastverteilungssteuerung, können mehrere Leistungssysteme parallel verbunden werden, ohne die Hinzufügung von Lastverteilungsschaltkreisen oder Steuer- bzw. Regelungsverdrahtung zwischen entsprechenden Leistungssystemen. Die Ableitung eines Ausgangsleistungspegels eines Leistungssystems wird genutzt zum Synchronisieren bzw. Einrasten der Frequenz der Leistungssysteme während der Ausgangsleistungspegel selbst genutzt wird zum Korrigieren des Phasenfehlers zwischen den Einheiten. Die Anforderungen und Probleme, die mit parallelen AC-Leistungssystemen nach dem Stand der Technik assoziiert sind, werden dadurch ohne irgendwelche zusätzlichen Schaltkreise oder Verdrahtungsanforderungen gelöst.

Einem Fachmann wird klar sein, dass die hierin beschriebenen drahtlosen Lastverteilungstechniken, wenn sie zusammen mit einer drahtlosen selektiven Auslösungstechnik genutzt werden, die in einer verwandten Anmeldung mit dem Titel "Wireless Selective Tripping of AC Power Systems Connected in Parallel" beschrieben ist, die durch den gleichen Rechtsinhaber mit dem gleichen Datum eingereicht worden ist, dadurch eine neue Klasse von Anwendungen beschreiben, bei denen es einen Bedarf gibt, den Ausgang von AC-Leistungsquellen parallel zu schalten. Solche Anwendungen können umfassen: automatische Rekonfiguration eines Leistungsquellenarrays, Selbsthinzufügung von Leistungsquellen in einer Solarfarm oder automatische "Hot Tie" für günstige UPSs mit niedriger Leistung.

Obwohl beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung oben im Detail beschrieben worden sind, wird einem Fachmann unmittelbar klar werden, dass viele zusätzliche Modifikationen der beispielhaften Ausführungsbeispiele möglich sind, ohne grundlegend von den neuartigen Lehren und Vorteilen der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wird die vorliegende Erfindung vorteilhafter Weise zusammen mit der vorgenannten drahtlosen selektiven Auslösungsanmeldung genutzt, wobei die Funktionen der entsprechenden Mikrocontroller in einem einzelnen Mikrocontroller kombiniert werden können. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung auch zusammen mit herkömmlichen Lastverteilungstechniken genutzt werden, wenn dies gewünscht ist. Zusätzlich wird einem Fachmann klar sein, dass die AC-Ausgangsleistung abgetastet und verarbeitet werden kann anstelle der DC-Eingangsleistung und zwar gemäß der Erfindung. Auch kann die Leistung direkt abgetastet werden unter Verwendung aktuell verfügbarer Leistungswandler (im Gegensatz zum Abtasten der Spannung und des Stroms). Dementsprechend sollen alle derartigen Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.


Anspruch[de]
Ein paralleles redundantes Leistungssystem, das wenigstens zwei Leistungssysteme aufweist, die parallel geschaltet sind, um Wechselstromleistung bzw. AC-Leistung an eine Last (2) über eine gemeinsame Leistungsverbindung vorzusehen, wobei wenigstens eines der Leistungssysteme (10) folgendes aufweist:

Mittel (22) zum Erzeugen einer Wechselstromausgangsspannung von einer Gleichstromeingangsleistungsquelle (20, 3);

Mittel (26) zum Abtasten der Spannung und des Stroms von einem DC-Eingang oder einem AC-Ausgang der Erzeugungsmittel (22) zum Vorsehen von Leistungspegelproben bzw. -niveauproben und Mittel zum Multiplizieren der Spannungs- und Stromproben zum Erhalten von Leistungsniveauproben;

Mittel (26) zum Bestimmen der Wechselstromausgangsleistung der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) aus den Leistungsniveauproben; und

Mittel (26) zum Vorsehen eines Steuersignals an die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) zum Steuern der Wechselstromausgangsphase und Ausgangsfrequenz der Wechselstromausgangsspannung aus den Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22), und zwar basierend auf dem Ausgangsleistungsniveau der Wechselstromausgangsleistungserzeugungsmittel und einer Ableitung des Ausgangsleistungsniveaus der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel, um eine Lastteilung in einer Proportion zu bewirken, die durch die Einheitsnennleistung der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel geteilt durch eine gesamte kombinierte Nennleistung der Leistungssysteme definiert ist, ohne das Erfordernis einer Zwischeneinheitssignalisierung zwischen den Leistungssystemen.
Leistungssystem nach Anspruch 1, wobei die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) eine Dreiphasenausgangsleistung erzeugen. Leistungssystem nach Anspruch 12, wobei die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) eine einzelne Phase und eine Splitphasenausgangsleistung erzeugen. Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abtastmittel (26) Mittel aufweisen zum Abtasten des Gleichstromstroms und der Gleichstromspannung, der Gleichstromeingangsleistungsquelle (20, 3). Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abtastmittel (26) Mittel aufweisen zum Abtasten des Wechselstromstroms und der Wechselstromspannung der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22). Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuersignal die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) ansteuert, um eine feste Größe einer Ausgangsleistung vorzusehen. Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bestimmungsmittel (26) eine Änderung des Gleichstromeingangsleistungsniveaus an die Erzeugungsmittel (22) aus den Leistungsniveauproben (16) berechnen und die Änderung der Gleichstromleistung über einen Eingangsfrequenzbereich der Erzeugungsmittel (22) integrieren, um eine Eingangsfrequenz der Erzeugungsmittel (22) zu bestimmen. Leistungssystem nach Anspruch 7, wobei die Bestimmungsmittel (26) die Frequenzänderung der Wechselstromausgangsspannung von der Eingangsfrequenz und den Gleichstromeingangsleistungsniveau berechnen. Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bestimmungsmittel (26), die Ableitung des Ausgangsleistungsniveaus der Erzeugungsmittel zum Erzeugen des Steuersignals integrieren. Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorsehmittel (26) Mittel aufweisen zum kontinuierlichen Integrieren der Ausgangsfrequenz zu einer festen Zielfrequenz. Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorsehmittel (26) Mittel aufweisen zum kontinuierlichen Einstellen der Ausgangsfrequenz zur Phasenverrieglung mit einer alternierenden Leistungsquelle. Leistungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Steuersignal die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) ansteuert, zum Stabilisieren der Ausgangsfrequenz und der Wechselstromausgangsphase der Wechselstromausgangsspannung. Verfahren zum Vorsehen einer unabhängigen Lastteilung zwischen wenigstens zwei Leistungssystemen (10), die parallel geschaltet sind, um Wechselstromleistung von Wechselstromerzeugungsmitteln (22) jedes Leistungssystems zu einer Last (2) über eine gemeinsame Leistungsverbindung vorzusehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Erzeugen einer Wechselstromausgangsspannung von einer Gleichstromeingangsleistungsquelle (20, 3);

Abtasten der Spannung und des Stroms von einer Wechselstromeingangsleistungsquelle (20, 3) und eines Wechselstromausgangs von den Erzeugungsmitteln (22);

Multiplizieren der Spannungs- und Stromproben um Leistungsniveauproben zu erhalten;

Bestimmen der Wechselstromausgangsleistung der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) aus den Leistungsniveauproben;

und

Vorsehen eines Steuersignals an die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) zum Steuern der Wechselstromausgangsphase und Ausgangsfrequenz der Wechselstromausgangsspannung aus den Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmitteln (22) basierend auf dem Ausgangsleistungsniveau der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel und einer Ableitung des Ausgangsleistungsniveaus der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel, um eine Lastteilung in einer Proportion zu erreichen; die durch die Einheitsnennleistung der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel geteilt durch die gesamte kombinierte Nennleistung der Leistungssysteme definiert ist, ohne die Notwendigkeit einer Zwischeneinheitssignalisierung zwischen den Leistungssystemen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Abtastschritt, die Schritte der Abtastung des Gleichstromstroms und der Gleichstromspannung der Gleichstromeingangsleistungsquelle (20, 3) aufweist. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Abtastschritt die Schritte des Abtastens des Wechselstromstroms und der Wechselstromspannung der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das ferner den zusätzlichen Schritt des Ansteuerns der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) zum Vorsehen einer festen Größe einer Ausgangsleistung aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Bestimmungsschritt die Schritte des Berechnens einer Änderung des Gleichstromeingangsleistungsniveaus an die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) von den Leistungsniveauproben und das Integrieren der Änderung der Gleichstromeingangsleistung über einen Eingangsfrequenzbereich der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) aufweist, um eine Eingangsfrequenz an die Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel zu bestimmen. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Bestimmungsschritt den Schritt des Berechnens der Frequenzänderung der Wechselstromausgangsspannung aus der Eingangsfrequenz und dem Gleichstromeingangsleistungsniveau aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der Vorsehschritt den Schritt des Integrierens der Ableitung des Ausgangsleistungsniveaus der Erzeugungsmittel (22) aufweist, um das Steuersignal zu erzeugen. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, das den zusätzlichen Schritt des kontinuierlichen Integrierens der Ausgangsfrequenz zu einer festen Zielfrequenz aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, das den zusätzlichen Schritt des kontinuierlichen Einstellens der Ausgangsfrequenz aufweist, um eine Phasenverriegelung mit einer alternierenden Leistungsquelle zu erreichen. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, das den zusätzlichen Schritt des Ansteuerns der Wechselstromausgangsspannungserzeugungsmittel (22) aufweist zum Stabilisieren der Ausgangsfrequenz und der Wechselstromausgangsphase der Wechselstromausgangsspannung. Verfahren zum Vorsehen einer unabhängigen Lastteilung zwischen wenigstens zwei Leistungssystemen (10), die parallel geschaltet sind, um eine Wechselstromleistung von einem Gleichstrom- zu Wechselstrominverter (22) von jedem Leistungssystem (10) an eine Last (2) über eine gemeinsame Leistungsverbindung vorzusehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Erzeugen einer Wechselstromausgangsspannung von der Gleichstromeingangsleistungsquelle;

Abtasten der Spannung und des Stroms von der Gleichstromeingangsleistungsquelle (20, 3) oder eines Wechselstromausgangs von dem Inverter (22);

Multiplizieren der Spannungs- und Stromproben, um Leistungsniveauproben zu erhalten;

Bestimmen einer Ableitung eines Eingangsleistungsniveaus an den Gleichstrom- zu Wechselstrominverter (20) aus den Leistungsniveauproben und Vorsehen eines Steuersignals an den Gleichstrom- zu Wechselstrominverter, um einen Lastteilungsbetrieb mit anderen Gleichstrom- zu Wechselstrominvertern von beiden Leistungssystemen zu stabilisieren, mit denen der Gleichstrom- zu Wechselstrominverter (22) parallel geschaltet ist; und

Verwenden eines Gleichstromeingangsleistungsniveaus an den Gleichstrom- zu Wechselstrominverter (22) zum Steuern des Wechselstromausgangsspannungsphasenwinkels, so dass die Wechselstromausgangsspannungsphase synchronisiert ist, mit dem anderen Gleichstrom- zu Wechselstrominverter, mit dem der Gleichstrom- zu Wechselstrominverter (22) parallel geschaltet ist, während gleichzeitig die Wechselstromausgangsspannungsfrequenz zu einer festen Frequenz eingestellt wird und einer Frequenz einer alternierenden Leistungsquelle.






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