Einleitung
Der Parallelbetrieb von Transformatoren ermöglicht eine flexible Leistungsverteilung und schafft Reserven für Ausfälle. Transformatoren mit Stufenschaltern benötigen dabei eine koordinierte Spannungsregelung, damit unterschiedliche Leerlaufspannungen keine unerwünschten Kreisblindströme verursachen. Digitale Regler wie das freiprogrammierbare Spannungsregler-System REGSys® übernehmen diese Aufgabe mit hoher Regelgüte.
Kurz zusammengefasst: Im Parallelbetrieb müssen die Regler sowohl die Sammelschienenspannung als auch die Belastung der beteiligten Transformatoren berücksichtigen. REGSys® stellt dafür Master-Slave-, Master-Follower-, ΔIsinϕ-, ΔIsinϕ(S)- und Δcosϕ-Verfahren bereit.
Das Herzstück des Spannungsregelsystems REGSys® (Abbildung 1) ist der Spannungsregler REG-D®. Neben der eigentlichen Regelfunktion übernimmt er Mess-, Registrier- und Statistikfunktionen. Anwender parametrieren den Regler entweder über die Tastatur oder menügeführt am PC mit der Software WinREG. Für den Parallelbetrieb sind die Kommunikationsschnittstellen besonders wichtig. Der zweifach ausgelegte Reglerbus E-LAN (RS485-Schnittstelle) ermöglicht den Datenaustausch zwischen bis zu 255 Reglern. Dadurch entfallen kostspielige Messzusätze bzw. Parallelsteuergeräte.
Die seriellen Schnittstellen COM 1, COM 2 (RS232) und COM 3 (RS485) binden PC, Modem, zusätzliche Interface-Bausteine und die übergeordnete Leittechnik an. Analoge und binäre Ein- und Ausgänge unterstützen vielfältige Mess- und Steuerfunktionen rund um den Transformator. Damit lassen sich beispielsweise eine Stufenrückmeldung oder eine Sollwertumschaltung realisieren. Abbildung 2 zeigt die Ausbaumöglichkeiten des Systems bis hin zur Petersen-Spulen-Regelung und Erdschlussortung.
Kernaussagen zum Parallelbetrieb von Transformatoren
- Unterschiedliche Leerlaufspannungen können wegen der kleinen Transformatorimpedanzen erhebliche Kreisblindströme verursachen.
- Master-Slave und Master-Follower regeln auf gleiche Stufenstellungen und eignen sich besonders für baugleiche Transformatoren.
- Die Verfahren ΔIsinϕ und ΔIsinϕ(S) ermitteln den Kreisblindstrom aus den gemessenen Blindströmen; ΔIsinϕ(S) berücksichtigt zusätzlich die Nennleistungen.
- Das Δcosϕ-Verfahren arbeitet ohne E-LAN-Verbindung und dient im REG-D® als Notprogramm bei Busstörungen.
Parallelbetrieb von Transformatoren mit Stufenschaltern und REGSys®
Die Regelung eines einzelnen Transformators ist leicht überschaubar. Im Parallelbetrieb entstehen komplexere Regelverhältnisse. Mehrere Transformatoren verteilen die benötigte Leistung und stellen bei Ausfällen Reserven bereit. Bei mehreren Abzweigen lassen sie sich je nach Leistungsbedarf auf verschiedene Sammelschienen parallel schalten. So kann die Anlage Leistungsspitzen flexibel abdecken.
Abbildung 3 zeigt die Parallelschaltung von n Transformatoren als Ersatzschaltbild und verdeutlicht, warum der Parallelbetrieb besondere Vorkehrungen erfordert. Ist beispielsweise die treibende Spannung u1 höher als u2 bis ux, fliessen die Kreisströme iKr2 bis iKrx. Ihre Höhe hängt von den Kurzschlussimpedanzen Zk1 bis Zkx und von den Differenzen der Leerlaufspannungen u1 – u2 bis u1 – ux ab. Die Transformatorimpedanzen sind in der Regel sehr klein. Entsprechend verstimmte Transformatoren können daher erhebliche Kreisströme führen, die sie im Grenzfall über- oder zumindest ungünstig auslasten. Folgende Gleichungen verdeutlichen die Zusammenhänge:
iT1 = i1 + iKr2 + … + iKrx (1) iT2 = i2 – iKr2 (2) iTx = ix – iKrx (3)
Warum Kreisblindströme die Regelung erschweren
Das Beispiel zeigt: Alle Kreisströme belasten den Transformator T1 zusätzlich, während der jeweilige Kreisstrom die übrigen Transformatoren entlastet. Da die Transformatorimpedanzen stark induktiv sind und der Wirkanteil vernachlässigbar ist, nennt man die Kreisströme auch Kreisblindströme.
Zusätzlich verliert die Spannungsregelung an Empfindlichkeit, weil eine Änderung der einzelnen Leerlaufspannungen u1 bis ux nur teilweise in die Gesamtspannung an der Sammelschiene eingeht. Sind die Impedanzen Zk1 bis Zkx gleich und verstimmt die Regelung einen der Transformatoren um Δux, ergibt sich:
u’tot = utot + Δ ux / n (4)
Gleichung (4) zeigt, dass sich z. B. bei drei parallel geschalteten Trafos (n = 3) mit gleicher Impedanz die Spannungsänderung an einem Transformator nur zu einem Drittel an der Sammelschiene auswirkt. Dieser Umstand erschwert die Spannungsregelung erheblich. Gleichen sich die Spannungen zu hoch gestufter mit zu niedrig gestuften Transformatoren aus, ist die Spannung zwar ausgeregelt, aber es fliessen Kreisströme. Die Parallelregelung benötigt deshalb zusätzliche Messgrössen.
Verfahren zur Spannungsregelung
REG-D®-Programme für den Parallelbetrieb und deren Anwendungen
Für den Parallelbetrieb stehen zwei grundsätzlich verschiedene Gruppen von Spannungsregelverfahren zur Verfügung. Master-Slave und Master-Follower regeln ausschliesslich die Spannung und die Stufenstellung. ΔIsinϕ, ΔIsinϕ(S) und Δcosϕ berücksichtigen zusätzlich den Kreisblindstrom. Tabelle 1 und Abbildung 8 stellen die Anwendungen und Voraussetzungen der im REG-D® implementierten Verfahren gegenüber.
| Verfahren | Prinzip und Einsatz |
|---|---|
| Master-Slave | Ein Master gibt Stellbefehle vor; die Slaves folgen. Das Verfahren eignet sich besonders für baugleiche Transformatoren. |
| Master-Follower | Der Follower liest die Stufe des Masters über E-LAN und gleicht eine anfängliche Stufendifferenz selbstständig aus. |
| ΔIsinϕ | Das Verfahren ermittelt den Kreisblindstrom aus den gemessenen Blindströmen und verteilt den Soll-Blindstrom gleichmässig. |
| ΔIsinϕ(S) | Zusätzlich fliessen die Nennleistungen in die Berechnung ein, sodass sich der Blindstrom entsprechend verteilen lässt. |
| Δcosϕ | Das Verfahren benötigt keine Busverbindung und eignet sich für weitläufig vermaschte Netze sowie als Notprogramm bei E-LAN-Störungen. |
Master-Slave- und Master-Follower-Verfahren
Diese Verfahren führen die Transformatoren auf gleiche Stufenstellungen. Beim Master-Slave-Verfahren übernimmt ein Regler die Führung, während die anderen Regler seinen Stellbefehlen folgen. Beim Master-Follower-Verfahren liest der Follower die Stufe des Masters über E-LAN und stellt sich selbstständig auf diese Stufe. Eine zu Beginn gewollte Stufendifferenz zwischen Master und Slaves bleibt beim Master-Slave-Verfahren bestehen. Das Master-Follower-Verfahren gleicht sie dagegen aus.
Beide Verfahren eignen sich besonders für baugleiche Transformatoren. Auch Transformatoren unterschiedlicher Leistung lassen sich damit betreiben. In diesem Fall müssen gleiche Stufenstellungen zu gleichen Übersetzungsverhältnissen, also zu gleichen Leerlaufspannungen, führen. Für gute Regelergebnisse dürfen die relativen Kurzschlussspannungen der Transformatoren höchstens um 10 % voneinander abweichen.
Kreisblindstromverfahren
Die Kreisblindstromverfahren ermitteln den Kreisblindstrom aus den Strömen an den Einspeisungen der Transformatoren. Anschliessend minimieren sie ihn durch eine gezielte Stufung der Transformatoren.
ΔIsinϕ-Verfahren
Für die Ermittlung des Kreisblindstroms genügt eine einfache Messung des Blindstroms am Transformator nicht. Ein induktiver Verbraucher kann ebenfalls Blindstrom verursachen (siehe ix in Abbildung 3). Bei zwei parallel betriebenen Transformatoren entspricht der Kreisblindstrom der halben Differenz der beiden gemessenen Blindströme. Die Berechnung eliminiert dabei den verbraucherbedingten Anteil. Bei mehreren Transformatoren addiert das Verfahren alle Blindströme und teilt die Summe durch die Anzahl der Transformatoren. Das Ergebnis entspricht dem Blindstrom, den jeder Transformator zur Deckung des Blindleistungsbedarfs der Last abgeben müsste. Gemäss Abbildung 3 gilt:
iL,tot = iT1 + iT2 + … + iTx (5)
Gleichungen (1) bis (3) eingesetzt in Gleichung (5):
iL,tot = i1+ iKr2 + … + iKrx + i2 - iKr2 + ix - iKrx (6)
Wie aus Gleichung (6) zu erkennen ist, fallen alle Kreisströme heraus. Daraus ergibt sich:
iL,tot = i1 + i2 + … + ix (7)
Die Verhältnisse in Gleichung (5), (6) und (7) lassen sich auf die Blindanteile IQx übertragen. Durch die Addition der Blindströme am Transformator ergibt sich die Summe der Lastblindströme (siehe Abbildung 4).
Berechnung des Soll-Blindstroms
Zur Ermittlung des Soll-Blindstroms pro Transformator teilt das Verfahren den Gesamtblindstrom durch die Anzahl n der Transformatoren. Jeder Transformator müsste diesen Soll-Blindstrom abgeben, um den Blindleistungsbedarf der Verbraucher abzudecken. Der Kreisblindstrom iKrQx eines Transformators entspricht somit der Differenz zwischen dem gemessenen Blindstrom und dem Soll-Blindstrom:
iKrQx = iQx - (iQ,tot · 1/n) (8) iKrQx: Kreisblindstrom des Transformators Nr. x iQx: Blindstromanteil eines Transformators Nr. x iQ,tot: Blindanteil des Gesamtstromes über alle Transformatoren
ΔIsinϕ(S)-Verfahren
Das ΔIsinϕ(S)-Verfahren erweitert das ΔIsinϕ-Verfahren um die Nennleistungen der Transformatoren. Diese Zusatzinformation ermöglicht eine Verteilung des Blindstroms entsprechend den jeweiligen Nennleistungen (siehe Abbildung 5):
iKrQx = iQx - (iQ,tot · Sx/Stot) (9) mit: Sx: Nennleistung des Transformators Nr. x Stot: gesamte Nennleistung aller Transformatoren
Δcosϕ-Verfahren
Das Δcosϕ-Verfahren nimmt unter den Parallelregelungsprogrammen eine Sonderstellung ein. Speisen mehrere Transformatoren in ein weitläufig vermaschtes Netz, können die Regler nicht über E-LAN miteinander kommunizieren. Dadurch entfallen die gegenseitige Abfrage der Blindströme und die rechnerische Ermittlung des Kreisblindstroms. Der Betreiber gibt zunächst den Netz-cosϕ als Sollwert vor. Aus Sammelschienenspannung und Transformatorstrom berechnet der Regler den Blindstrom, der sich bei einem identischen cosϕ von Transformator und Netz einstellen würde. Liegt der tatsächliche Blindstrom höher, stuft der Regler den Transformator tiefer. Liegt er niedriger, stuft er ihn höher. Der Kreisblindstrom errechnet sich wie folgt (siehe Abbildung 6):
iKrQx = iTxsinϕist - iTxsinϕsoll (10)
Einbindung in die Spannungsregelung
Im Parallelbetrieb reicht die Spannungsregelung allein nicht aus. Deshalb überlagert die Kreisblindstromregelung die Spannungsregelung und wirkt unerwünschten Kreisblindströmen entgegen (Abbildung 7). Für die Stellgrössen YU und YP gilt:
YU = (Uist – Usoll) / ∆Uzul (11) YP = IKrQx / IKrQzul (12) mit: Uist: Istwert der Effektivspannung Usoll: Sollwert der Effektivspannung ΔUzul: Zul. Regelabweichnung IKrQzul: Zul. Kreisblindstrom
Stellbefehle aus den Regelgrössen
Für die resultierende Stellgrösse Y gilt (siehe Abbildung 7):
Y = YU + YP (13)
Gleichung (13) liefert die Stellbefehle für die Regelung. Bei Y > + 1,0 löst der Regler den Stellbefehl TIEFER aus, bei Y < - 1,0 den Stellbefehl HÖHER. Der Regler führt Spannung und Kreisblindstrom unabhängig voneinander auf die jeweils zulässigen Abweichungen zurück. Verändert die Kreisblindstrom-Minimierung die Spannung unzulässig, gleichen die parallel geschalteten Transformatoren diese Abweichung gemeinsam aus. Dadurch bleibt keine dauerhafte Regelabweichung der Spannung bestehen.
Begrenzung beim Δcosϕ-Verfahren
Auch bei der Beeinflussung der Spannungsregelung durch die Kreisblindstromregelung nimmt das Δcosϕ-Verfahren eine Sonderstellung ein. Weicht der cosϕ des Netzes vom eingestellten Sollwert ab, beeinflusst dies die Spannungsregelung. Die bleibende Regelabweichung ΔU hängt von den Phasenwinkeln ϕsoll und ϕist, vom Scheinstrom I, von der zulässigen Regelabweichung ΔUzul und vom zulässigen Kreisblindstrom IKrQzul ab:
∆U=∆Uzul · (sinϕsoll– sinϕist )·I / IKrQzul (14)
Gleichung (16) zeigt, wie sich dieser Einfluss begrenzen lässt. Abbildung 7 enthält neben dem zulässigen Kreisblindstrom den Parameter b. Er legt fest, welchen maximalen Betrag YP annehmen darf.
|YP| < b (15)
Damit begrenzt der Parameter die bleibende Regelabweichung ΔU auf
∆U = b · ∆Uzul (16)
Bei stark schwankenden Lasten und entsprechenden Änderungen des Netz-cosϕ kann ein selbstlernendes Verfahren den cosϕ-Sollwert anpassen. So verhindert die Regelung bleibende Spannungsabweichungen und unzulässig hohe Kreisblindströme.
Sicherheitsvorkehrungen
Bei allen Verfahren ausser Δcosϕ tauschen die beteiligten Regler die benötigten Daten über E-LAN aus. Auch bei einer Unterbrechung der E-LAN-Verbindung muss die Regelung zuverlässig weiterarbeiten. Das Δcosϕ-Verfahren benötigt keine Busverbindung und dient deshalb als Notprogramm. REG-D® enthält dieses Notprogramm standardmässig. Während des störungsfreien Betriebs mit ΔIsinϕ oder ΔIsinϕ(S) misst der Regler fortlaufend den cosϕ des Netzes. Nach einer Busstörung übernimmt er den zuletzt gemessenen Wert als Soll-cosϕ und startet das Δcosϕ-Verfahren.
Nach der Behebung der Busstörung schaltet REG-D® auf das zuvor aktive Parallelprogramm zurück. Bei einer Störung der Busverbindung im Master-Slave- oder Master-Follower-Verfahren wechselt der Slave selbstständig in den Einzelreglerbetrieb und setzt eine Fehlermeldung ab.
Simulation des Parallelbetriebs mit REGSim
Abbildung 8 ermöglicht eine erste theoretische Einschätzung, welches Parallelregelungsverfahren zu einer Anlage passt. Mit der Software REGSim (Abbildung 9) lassen sich die Verfahren in beliebigen Betriebskonstellationen mit Transformatoren, Netz und Lasten simulieren. REGSim verwendet dabei die im Regler implementierten Regelalgorithmen. Anwender können verschiedene Eckdaten wie Nennspannung und Transformatorimpedanz parametrieren.
So bildet REGSim das Spannungsregelsystem REGSys® in einer konkreten Anlagensituation ab. Ohne Eingriff in die Anlage lässt sich untersuchen, wie die Regelung auf Extremsituationen wie Lastsprünge oder Erdschluss reagiert. Anwender können auch Spannungskonstanz und Anzahl der Schaltungen bereits im Vorfeld bewerten. Darüber hinaus eignet sich das Programm für Schulungszwecke.
Automatischer Parallelbetrieb
Der ParaGramer (Abbildung 10) unterstützt die automatische Vorbereitung von Parallelschaltungen und visualisiert die Schaltzustände online. Er bildet die beteiligten Transformatoren inklusive Leistungsschaltern, Trennern sowie Quer- und Längskupplungen einphasig ab. Jeder Regler erhält über einen Binäreingang ein vollständiges Sammelschienenabbild. Anhand der Schaltzustände erkennt das System automatisch, welche Transformatoren gemeinsam auf eine Sammelschiene speisen. Über Querkupplungen verbundene Sammelschienen behandelt es wie eine einzige Sammelschiene.
In Abbildung 10 arbeiten beispielsweise die Transformatoren T1 und T3 auf die Sammelschiene a, während Transformator T2 auf die Sammelschiene b speist. Der ParaGramer kann zudem hochspannungsseitige Sammelschienenabbildungen darstellen. Damit unterstützt er eine aufwandarme und sichere Umsetzung unterschiedlichster Parallelschaltungen.
FAQ - Häufige Fragen zum Parallelbetrieb von Transformatoren
Warum erfordert der Parallelbetrieb von Transformatoren eine besondere Regelung?
Unterschiedliche Leerlaufspannungen können wegen der kleinen Transformatorimpedanzen erhebliche Kreisströme verursachen. Zudem beeinflusst eine Stufenänderung eines einzelnen Transformators die gemeinsame Sammelschienenspannung nur anteilig.
Was ist ein Kreisblindstrom bei Transformatoren?
Ein Kreisblindstrom entsteht durch Unterschiede der Leerlaufspannungen parallel geschalteter Transformatoren. Da ihre Impedanzen überwiegend induktiv sind, bezeichnet der Beitrag diese Kreisströme als Kreisblindströme.
Wann eignen sich Master-Slave und Master-Follower?
Beide Verfahren eignen sich besonders für baugleiche Transformatoren. Bei unterschiedlichen Leistungen müssen gleiche Stufenstellungen zu gleichen Übersetzungsverhältnissen führen. Die relativen Kurzschlussspannungen dürfen höchstens um 10 % voneinander abweichen.
Worin unterscheiden sich ΔIsinϕ und ΔIsinϕ(S)?
ΔIsinϕ verteilt den Soll-Blindstrom gleichmässig auf die beteiligten Transformatoren. ΔIsinϕ(S) berücksichtigt zusätzlich ihre Nennleistungen und verteilt den Blindstrom entsprechend der jeweiligen Leistung.
Wann eignet sich das Δcosϕ-Verfahren?
Das Δcosϕ-Verfahren eignet sich, wenn die Regler in einem weitläufig vermaschten Netz nicht über E-LAN kommunizieren können. Im REG-D® dient es ausserdem als Notprogramm, falls die Busverbindung bei ΔIsinϕ oder ΔIsinϕ(S) ausfällt.
Was geschieht bei einer Unterbrechung der E-LAN-Verbindung?
Bei ΔIsinϕ und ΔIsinϕ(S) übernimmt der Regler den zuletzt gemessenen Netz-cosϕ als Sollwert und startet Δcosϕ. Bei Master-Slave oder Master-Follower wechselt der Slave in den Einzelreglerbetrieb und setzt eine Fehlermeldung ab.
Wie unterstützt REGSim bei der Auswahl eines Parallelregelungsverfahrens?
REGSim simuliert Transformatoren, Netz und Lasten mit den im Regler implementierten Regelalgorithmen. Dadurch lassen sich Anlagenkonstellationen, Extremsituationen, Spannungskonstanz und Schalthäufigkeit vorab untersuchen.
