Einleitung
Die Spannungsregelung an Transformatoren mit Stufenschaltern ist ein klassisches Thema der Energieversorgung und -verteilung. Heute übernehmen digitale Regler diese Aufgaben elektronisch und mit hoher Regelgüte. Ein Beispiel ist das freiprogrammierbare Spannungsregler-System REGSys®.
Kurz zusammengefasst: Bei parallel geschalteten Transformatoren reicht die reine Spannungsregelung nicht immer aus. REGSys® berücksichtigt je nach Verfahren zusätzlich Stufenstellungen, Kreisblindströme, Nennleistungen oder den Netz-cosϕ und unterstützt damit eine koordinierte Regelung im Parallelbetrieb.
Das Herzstück des Spannungsreglersystems REGSys® (Abbildung 1) ist der Spannungsregler REG-D®, der neben der eigentlichen Regelfunktion auch Mess-, Registrier- und Statistikfunktionen übernimmt. Anwender parametrieren den Regler entweder über die Tastatur oder menügeführt am PC mithilfe der Software WinREG. Besonders wichtig für die Parallelregelung sind die Kommunikationsschnittstellen. Über den zweifach ausgelegten Reglerbus E-LAN (RS485-Schnittstelle) tauschen bis zu 255 Regler alle relevanten Daten aus. Dadurch entfallen kostspielige Messzusätze bzw. Parallelsteuergeräte.
Die seriellen Schnittstellen COM 1, COM 2 (RS232) und COM 3 (RS485) dienen der Ankopplung von PC, Modem, zusätzlichen Interface-Bausteinen und übergeordneter Leittechnik. Für vielfältige Mess- und Steuerfunktionen rund um den Transformator stehen analoge und binäre Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Damit realisiert das System zum Beispiel die Stufenrückmeldung oder eine Sollwertumschaltung. Abbildung 2 zeigt die Möglichkeiten für den Ausbau des Systems bis hin zur Petersen-Spulen-Regelung und Erdschlussortung.
Kernaussagen zur Parallelregelung von Transformatoren
- Unterschiedliche Leerlaufspannungen können wegen der kleinen Transformatorimpedanzen erhebliche Kreisblindströme verursachen.
- Master-Slave- und Master-Follower-Verfahren 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. REG-D® nutzt es als Notprogramm für Busstörungen.
Parallelregelung von Transformatoren mit Stufenschaltern und REGSys®
Die Regelung eines einzelnen Transformators ist leicht überschaubar. Im Parallelbetrieb steigt jedoch die Komplexität. Für den Parallelbetrieb von Transformatoren sprechen mehrere Gründe: Mehrere Trafos teilen sich die benötigte Leistung, während Reserven bei einem Ausfall die Versorgung sichern. Bei mehreren Abzweigen speisen die Trafos je nach Leistungsbedarf parallel auf verschiedene Sammelschienen und decken so Leistungsspitzen flexibel ab.
Abbildung 3 zeigt die Parallelschaltung von n Transformatoren als Ersatzschaltbild und verdeutlicht, warum der Parallelbetrieb besondere Vorkehrungen erfordert. Wenn zum Beispiel die treibende Spannung u1 höher ist als u2 bis ux, fließen die Kreisströme iKr2 bis iKrx. Die Kreisströme sind abhängig von den Kurzschlussimpedanzen Zk1 bis Zkx und den Differenzen der Leerlaufspannungen u1 – u2 bis u1 – ux. Da die Impedanzen der Transformatoren in der Regel sehr klein sind, können bei entsprechend verstimmten Transformatoren erhebliche Kreisströme fließen, die die Transformatoren im Grenzfall über- oder zumindest ungünstig auslasten können. Folgende Gleichungen verdeutlichen die Zusammenhänge:
iT1 = i1 + iKr2 + … + iKrx (1) iT2 = i2 – iKr2 (2) iTx = ix – iKrx (3)
Auswirkungen der Kreisströme auf die Spannungsregelung
Das Beispiel zeigt: Alle Kreisströme belasten den Transformator T1 zusätzlich, während der jeweilige Kreisstrom die anderen Transformatoren entlastet. Da die Transformator-Impedanzen stark induktiv sind und der Wirkanteil vernachlässigbar ist, nennt man die Kreisströme auch Kreisblindströme.
Erschwerend wirkt zusätzlich, dass die Spannungsregelung an Empfindlichkeit verliert, da eine Änderung der einzelnen Leerlaufspannungen u1 bis ux nur zum Teil in die Gesamtspannung an der Sammelschiene eingeht. Unterstellt man gleiche Impedanzen Zk1 bis Zkx und verstimmt einen Transformator zum Zweck der Spannungsregelung 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 eine Spannungsregelung erheblich. Gleichen sich die Spannungen zu hoch gestufter und zu niedrig gestufter Transformatoren aus, erreicht die Sammelschiene zwar den Sollwert, dennoch fließen Kreisströme. Deshalb berücksichtigt die Parallelregelung zusätzliche Messgrößen.
Verfahren zur Spannungsregelung
REG-D®-Programme für den Parallelbetrieb und deren Anwendungen
Es kommen zwei grundsätzlich verschiedene Spannungsregelverfahren zum Einsatz: Verfahren, die ausschließlich die Spannung regeln, wie Master-Slave und Master-Follower, und jene, die zusätzlich den Kreisblindstrom berücksichtigen, wie ΔIsinϕ, ΔIsinϕ(S) und Δcosϕ-Verfahren. Abbildung 8 stellt die Anwendungen und Voraussetzungen der im REG-D® implementierten Parallelregelverfahren gegenüber. Die folgenden Abschnitte erläutern, welches Verfahren zur jeweiligen Aufgabenstellung passt.
| 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 minimiert ihn bei gleichmäßiger Aufteilung des Soll-Blindstroms. |
| ΔIsinϕ(S) | Das Verfahren berücksichtigt zusätzlich die Nennleistungen und verteilt den Blindstrom entsprechend auf die Transformatoren. |
| Δcosϕ | Das Verfahren benötigt keine Busverbindung und eignet sich für weitläufig vermaschte Netze. REG-D® nutzt es außerdem als Notprogramm bei E-LAN-Störungen. |
Master-Slave- und Master-Follower-Verfahren
Diese Verfahren regeln auf gleiche Stufenstellungen der Transformatoren. Ein Regler übernimmt dabei die Führung, während die anderen Regler dessen Stellbefehlen folgen (Master-Slave-Regelung). Beim Master-Follower-Verfahren ist der Slave mit Zusatzintelligenz ausgestattet. Er kann aktiv die Stufe des Masters via E-LAN lesen und sich selbstständig auf dessen Stufe stellen. Eine zu Beginn der Parallelregelung vorliegende gewollte Stufendifferenz zwischen dem Master und den Slaves bleibt beim Master-Slave-Verfahren bestehen. Das Master-Follower-Verfahren gleicht diese Differenz dagegen aus.
Beide Verfahren eignen sich besonders für baugleiche Transformatoren. Das Verfahren eignet sich auch für Transformatoren unterschiedlicher Leistung. Dann müssen gleiche Stufenstellungen zu gleichen Übersetzungsverhältnissen (= gleiche Leerlaufspannungen) führen. Für gute Regelergebnisse dürfen die relativen Kurzschlussspannungen der Transformatoren höchstens um 10 % voneinander abweichen.
Kreisblindstrom-Verfahren
Die Kreisblindstrom-Verfahren messen die Ströme an der Einspeisung der Transformatoren. Daraus ermitteln sie den Kreisblindstrom und minimieren ihn durch eine gezielte Stufung der Transformatoren.
ΔIsinϕ-Verfahren
Um den Kreisblindstrom zu erhalten, genügt es nicht, einfach den Blindstrom am Transformator zu messen, denn dieser könnte auch durch einen induktiven Verbraucher bedingt sein (siehe ix in Abbildung 3). Bei zwei parallellaufenden Transformatoren ergibt sich der Kreisblindstrom durch die halbe Differenz zwischen den beiden gemessenen Blindströmen. Die Berechnung eliminiert den vom Verbraucher verursachten Anteil mathematisch. Bei mehreren Transformatoren addiert das Verfahren alle Blindströme und teilt die Summe durch die Anzahl der Transformatoren. Man erhält dann den Blindstrom, den jeder Transformator abgeben müsste, um den Blindleistungsbedarf der Last zu decken. 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-Blindstromes pro Transformator teilt das Verfahren diesen Blindstrom durch die Anzahl n der Transformatoren. Den so ermittelten Soll-Blindstrom müsste jeder Transformator abgeben, um den Blindleistungsbedarf der Verbraucher abzudecken. Der Kreisblindstrom iKrQx eines Transformators ist somit die Differenz zwischen dem gemessenen Blindstrom und dem Soll-Blindstrom:
iKrQx = iQx - (iQ,tot · 1/n) (8) iKrQx: Kreisblindstrom des Transformator Nr. x iQx: Blindstromanteil eines Transformators Nr. x iQ,tot: Blindanteil des Gesamtstromes über alle Transformatoren
ΔIsinϕ(S)-Verfahren
Das ΔIsinϕ(S)-Verfahren ist eine Erweiterung des ΔIsinϕ-Verfahrens. Bei der Berechnung des Soll-Blindstroms wertet das Verfahren auch die Nennleistungen der Transformatoren aus. Dadurch verteilt es den Blindstrom entsprechend der Nennleistungen auf die Transformatoren (siehe Abbildung 5):
iKrQx = iQx - (iQ,tot · Sx/Stot) (9) mit: Sx: Nennleistung des Transformators Nr. x Stot: gesamte Nennleistung aller Transformatoren
Δcosϕ-Verfahren
Eine Sonderstellung unter den Parallelregelungsprogrammen nimmt das Δcosϕ-Verfahren ein. Speisen mehrere Transformatoren in ein weitläufig vermaschtes Netz, können die Regler nicht via E-LAN miteinander kommunizieren. Damit entfällt die gegenseitige Abfrage der Blindströme und die Möglichkeit der rechnerischen Kreisblindstromermittlung. Zunächst gibt der Betreiber den Netz-cosϕ (cosϕ Netz) als Sollwert vor. Aus der Sammelschienenspannung und dem Transformatorstrom berechnet der Regler den Blindstrom, der sich bei gleichem cosϕ am Transformator und im Netz einstellen würde. Liegt der tatsächliche Blindstrom darüber, stuft der Regler den Transformator tiefer. Liegt er darunter, stuft der Regler den Transformator höher. Der Kreisblindstrom errechnet sich dabei wie folgt (siehe Abbildung 6):
iKrQx = iTxsinϕist - iTxsinϕsoll (10)
Einbindung in die Spannungsregelung
Wie bereits beschrieben, ist die Spannungsregelung bei der Regelung parallelgeschalteter Transformatoren nicht ausreichend. Um Kreisblindströme zu vermeiden, überlagert die Kreisblindstromregelung die Spannungsregelung (Abbildung 7). Dabei ergeben sich die Stellgrößen YU und YP zu:
YU = (Uist – Usoll) / ∆Uzul (11) YP = IKrQx / IKrQzul (12) mit: Uist: Istwert der Effektivspannung Usoll: Sollwert der Effektivspannung ΔUzul: Zul. Regelabweichnung IKrQzul: Zul. Kreisblindstrom
Zudem gilt für die resultierende Stellgröße Y (siehe Abbildung 7):
Y = YU + YP (13)
Stellbefehle aus den Regelgrößen
Aus Gleichung (13) leitet die Regelung folgende Stellbefehle ab: Für Y > + 1,0 löst sie den Stellbefehl TIEFER aus, für Y < - 1,0 den Stellbefehl HÖHER. Dabei regelt das System Spannung und Kreisblindstrom unabhängig voneinander auf die jeweils zulässigen Abweichungen. Die Gesamtheit der parallelgeschalteten Transformatoren gleicht Stellbefehle aus, die durch die Kreisblindstrom-Minimierung eine unzulässige Spannungsänderung verursachen. Auf diese Weise gibt es keine bleibende Regelabweichung für die Spannung.
Begrenzung beim Δcosϕ-Verfahren
Das Δcosϕ-Verfahren nimmt auch hinsichtlich der Beeinflussung der Spannungsregelung durch die Kreisblindstromregelung eine Sonderstellung ein. Es ergibt sich auch dann eine Beeinflussung, wenn sich der cosϕ des Netzes vom eingestellten Sollwert unterscheidet. Die bleibende Regelabweichung ΔU ist abhängig von den beiden Phasenwinkeln ϕsoll und ϕist, vom Scheinstrom I, von der eingestellten zulässigen Regelabweichung ΔUzul und von dem eingestellten zulässigen Kreisblindstrom IKrQzul:
∆U=∆Uzul · (sinϕsoll– sinϕist )·I / IKrQzul (14)
Der Parameter b begrenzt diesen Einfluss, wie Gleichung 16 zeigt. Abbildung 7 zeigt neben dem zulässigen Kreisblindstrom auch diesen Parameter. Er legt fest, wie groß YP maximal sein kann.
|YP| < b (15)
Der Parameter begrenzt die bleibende Regelabweichung ΔU auf
∆U = b · ∆Uzul (16)
Bei stark schwankenden Lasten und den damit verbundenen Änderungen des Netzcosϕ passt ein selbstlernendes Verfahren den Sollwert des cosϕ an. Dadurch verhindert das Verfahren bleibende Regelabweichungen der Spannung und unzulässig hohe Kreisblindströme.
Sicherheitsvorkehrungen
Bei allen Verfahren (außer Δcosϕ-Verfahren) tauschen die an der Parallelschaltung beteiligten Regler die benötigten Daten über den E-LAN aus. Bei einer Unterbrechung der E-LAN-Verbindung stellt ein Notprogramm die weitere Regelung sicher. REG-D® nutzt dafür das Δcosϕ-Verfahren, das ohne Busverbindung arbeitet und standardmäßig im Regler enthalten ist. Im ungestörten Betrieb mit ΔIsinϕ oder ΔIsinϕ(S) misst REG-D® fortlaufend den cosϕ des Netzes. Nach einer Busstörung übernimmt der Regler den zuletzt gemessenen cosϕ als Soll-cosϕ und startet das Δcosϕ-Verfahren.
Nach Behebung der Busstörung schaltet der Regler 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. Zusätzlich setzt der Regler eine Fehlermeldung ab.
Simulations-Software
Theoretische Überlegungen anhand von Abbildung 8 liefern eine erste Einschätzung, welches Parallelregelungsverfahren zur jeweiligen Anlage passt. Die Software REGSim (Abbildung 9) bietet die Möglichkeit, die Parallelregelungsverfahren in einer beliebigen Betriebskonstellation aus Transformatoren, Netz und Lasten zu simulieren. REGSim verwendet dabei die im Regler implementierten Regelalgorithmen. Anwender parametrieren verschiedene Eckdaten wie Nennspannung oder Transformatorimpedanz.
So simuliert REGSim das Spannungsregelsystem REGSys® in einer konkreten Anlagensituation. Ohne Eingriff in die Anlage zeigt die Simulation das Verhalten der Regelung in Extremsituationen wie Lastsprüngen oder Erdschlüssen. Zudem schätzt sie bereits im Vorfeld die Regelgüte anhand von Spannungskonstanz und Zahl der Schaltungen ab. Selbstverständlich eignet sich das Programm auch für Schulungszwecke.
Automatischer Parallelbetrieb
Als Hilfsmittel für die automatische Vorbereitung von Parallelschaltungen und zur Online-Visualisierung der Schaltzustände dient der ParaGramer (Abbildung 10). Der ParaGramer bildet die am Parallelbetrieb beteiligten Transformatoren inkl. Leistungsschalter, Trenner, Quer- und Längskupplungen in einphasiger Darstellung ab. Jeder Regler erhält über einen Binäreingang ein vollständiges Sammelschienenabbild. Aufgrund der Schaltzustände erkennt das System automatisch, welche Transformatoren mit welchem (welchen) anderen auf eine Sammelschiene parallel speisen. Über Querkupplungen verbundene Sammelschienen behandelt das System wie eine einzige Sammelschiene.
In Abbildung 10 arbeiten z. B. die Transformatoren T1 und T3 auf die Sammelschiene a, während Transformator T2 auf die Sammelschiene b speist. Der ParaGramer bildet zudem hochspannungsseitige Sammelschienen ab. Der ParaGramer ist damit ein geeignetes Werkzeug, um die unterschiedlichsten Parallelschaltungen aufwandarm und sicher zu realisieren.
FAQ - Häufige Fragen zur Parallelregelung von Transformatoren
Warum ist bei parallel geschalteten Transformatoren eine besondere Regelung erforderlich?
Unterschiedliche Leerlaufspannungen können wegen der kleinen Transformatorimpedanzen erhebliche Kreisströme verursachen. Zudem wirkt sich eine Stufenänderung eines einzelnen Transformators nur anteilig auf die gemeinsame Sammelschienenspannung aus.
Was ist ein Kreisblindstrom bei Transformatoren?
Ein Kreisblindstrom entsteht durch Unterschiede der Leerlaufspannungen parallel geschalteter Transformatoren. Da deren Impedanzen überwiegend induktiv sind, bezeichnet der Beitrag den Kreisstrom als Kreisblindstrom.
Wann eignen sich Master-Slave- und Master-Follower-Verfahren?
Beide Verfahren eignen sich besonders für baugleiche Transformatoren. Bei unterschiedlichen Leistungen müssen gleiche Stufenstellungen zu gleichen Übersetzungsverhältnissen führen; außerdem sollen die relativen Kurzschlussspannungen 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 deren Nennleistungen und verteilt den Blindstrom entsprechend der jeweiligen Leistung.
Wann eignet sich das Δcosϕ-Verfahren?
Das Δcosϕ-Verfahren eignet sich für weitläufig vermaschte Netze, in denen die Regler nicht über E-LAN kommunizieren können. Im REG-D® dient es außerdem als Notprogramm, wenn 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 das Δcosϕ-Verfahren. Bei Master-Slave und Master-Follower schaltet der Slave in den Einzelreglerbetrieb zurück 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 sowie Spannungskonstanz und Schalthäufigkeit vorab untersuchen.
