DE10006844B3

DE10006844B3 - Controlling fixed position local converters supplying high voltage at special low frequency to railway system, measures phase angle from harmonic

Info

Publication number: DE10006844B3
Application number: DE10006844A
Authority: DE
Inventors: Xie Jian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2020-02-17

Abstract

The phase angle (y) required for converter control, is measured from a higher harmonic of a current (i) measurable in the converter of local plant (2) or transformer stations (4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Spannungsphasenwinkels von Nachbarwerken für die Regelung von Bahnumrichtern nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a Procedure for determining the voltage phase angle of neighboring plants for the Regulation of railway converters according to the preamble of the first claim.

Stand der TechnikState of the art

In Deutschland wird für die Bahnstromversorgung das 15-kV-16 2/3-Hz-System verwendet. Wegen der Sonderfrequenz kann die Bahnstromversorgung nicht direkt aus dem Landesnetz erfolgen. Die Bahnernergie muß durch den Einsatz von rotierenden Umformern aus dem 50-Hz-Drehstromnetz erzeugt werden. Die Entwicklung der Leistungselektronik ermöglicht heute den Ersatz der rotierenden Umformer durch die statischen Umrichter. In 1 wird die prinzipielle Schaltung eines Spannungszwischenkreisumrichters zur Koppelung von Bahnstrom- und Drehstromnetz dargestellt. Das Drehstromnetz speist über den drehstromseitigen Stomrichier (5) den Gleichspannungszwischenkreis (6). Im Zwischenkreis unterdrückt ein Filter die 33 1/3-Hz-Leistungspendelung des Bahnnetzes und verhindert dadurch eine Störbelastung des Drehstromnetzes. Der Zwischenkreiskondensator (C_d) dient zur Glättung der Zwischenkreisspannung (U_d). Der bahnnetzseitige Stromrichter besteht aus Vierquadrantenstellern (4QS), die durch einen Summiertransformator (7) auf der Hochspannungsseite in Reihe geschaltet sind. Die Bahnnetzspannung (U_B) wird durch das Addieren aller Ausgangsspannungen der einzelnen Vierquadrantenstelle gebildet. Durch versetzte Taktung wird bereits im Leerlauf eine Umrichterspannung (U_B) erzeugt, die der gewünschten Sinusform sehr nahe kommt (2a). Vor allem Oberschwingungen mit niedrigen Ordnungszahlen haben sehr geringe Amplituden (2b).In Germany, the 15 kV-16 2/3 Hz system is used for the traction power supply. Because of the special frequency, the traction power supply cannot take place directly from the national network. Railway energy must be generated from the 50 Hz three-phase network using rotating converters. The development of power electronics today makes it possible to replace the rotating converter with the static converter. In 1 the basic circuit of a DC link converter for coupling traction current and three-phase networks is shown. The three-phase network feeds via the three-phase current supply ( 5 ) the DC link ( 6 ). In the intermediate circuit, a filter suppresses the 33 1/3 Hz power fluctuation of the rail network and thereby prevents interference in the three-phase network. The intermediate circuit capacitor (C _d ) is used to smooth the intermediate circuit voltage (U _d ). The converter on the rail network side consists of four-quadrant 4QS ) by a summing transformer ( 7 ) are connected in series on the high voltage side. The rail network voltage (U _B ) is formed by adding all the output voltages of the single four-quadrant digit. An offset voltage (U _B ) that comes very close to the desired sinusoidal shape is generated by the offset clocking even when idling ( 2a ). Especially harmonics with low atomic numbers have very low amplitudes ( 2 B ).

Der statische Umrichter kann entweder als zentraler oder als dezentraler Umrichter betrieben werden. Im ersten Fall wird der Umrichter am bahneigenen 110-kV-16 2/3-Hz- Hochspannungsnetz angeschlossen und, wie ein rotierender Umformer, nach einer Frequenz-Wirkleistungs- und einer Spannungs-Blindleistungskennlinie geregelt.The static converter can either can be operated as a central or decentralized converter. in the The first case is the converter on the railway's own 110 kV-16 2/3 Hz high-voltage network connected and, like a rotating converter, after a frequency active power and regulated a voltage-reactive power characteristic.

Beim dezentralen Betrieb speist der Umrichter (1) direkt die 15-kV-Bahnoberleitung (3). Über das 15-kV-Oberleitungsnetz kann der Umrichter mit Unterwerken (2) (3a), die am zentralen Bahnstromnetz angeschlossen sind, oder mit rotierenden Umformern (4) (3b) parallel betrieben werden. Im Vergleich mit dem 110-kV-Bahnstromnetz hat die 15-kV-Oberleitung einen wesentlich höheren Widerstandsbelag. Das konventionelle Regelungsverfahren von zentralen Umformer- oder Umrichterwerken mit Frequenz-Wirkleistungs- und Spannungs-Blindleistungskennlinien würde bei dieser Betriebsart zu einem Leistungsausgleich zwischen dem Umrichterwerk und den Nachbarwerken und damit, bedingt durch den großen Widerstand der Oberleitung, zu hohen Übertragungsverlusten führen. Zur Reduzierung der Oberleitungsverluste muß der Leistungsausgleich zwischen Umrichter- und Nachbarwerk vermieden werden. Dies kann nur erreicht werden, wenn die Umrichterspannung U_Umr (4) mit der 15-kV-Unterwerkspannung U_Uw (4) sowohl in Amplitude als auch in Phasenlage identisch ist. Zu diesem Zweck muß der zeitliche Spannungsverlauf des Nachbarwerks zum Umrichterwerk überragen werden (4). Die Umrichterregelung wertet die Information (Amplitude und Phasenlage) aus und regelt die Ausgangsspannung des Umrichters U_Umr genau auf die Spannung des Nachbarwerks U_Uw aus. Dieses Regelungsverfahren kann sowohl für den Verbundbetrieb mit den zentralen Unterwerken (3a) als auch für den Parallelbetrieb mit den rotierenden Umformerwerken (3b) eingesetzt werden. Das Regelungsverfahren wird im dem Oberbegriff des ersten Anspruchs zugrundliegenden Artikel "Regelungskonzepte für das Umrichterwerk Jübek", Elektrische Bahnen, 8/98, Seite 249-256 beschrieben.In decentralized operation, the converter feeds ( 1 ) the 15 kV overhead line directly ( 3 ). Via the 15 kV overhead line network, the converter can be connected to substations ( 2 ) ( 3a ) that are connected to the central traction current network or with rotating converters ( 4 ) ( 3b ) are operated in parallel. Compared to the 110 kV traction current network, the 15 kV overhead line has a significantly higher resistance. The conventional control method of central converter or converter plants with frequency-active power and voltage-reactive power characteristics would lead to a power balance between the converter plant and the neighboring plants in this operating mode and thus, due to the high resistance of the overhead line, to high transmission losses. In order to reduce overhead line losses, the power equalization between the converter plant and the neighboring plant must be avoided. This can only be achieved if the converter _voltage U _Umr ( 4 ) with the 15 kV substation voltage U _Uw ( 4 ) is identical in both amplitude and phase. For this purpose, the temporal voltage curve of the neighboring plant to the converter plant must be exceeded ( 4 ). The converter control evaluates the information (amplitude and phase position) and regulates the output voltage of the converter U _Umr exactly to the voltage of the neighboring plant U _Uw . This control procedure can be used for the combined operation with the central substations ( 3a ) as well as for parallel operation with the rotating converter plants ( 3b ) are used. The control process is described in the article on which the preamble of the first claim is based, "Control concepts for the converter plant Jübek", Electric Railways, 8/98, pages 249-256.

Für die Spannungsübertragung zwischen Umrichterwerk (1) und Nachbarwerken (2 oder 4) sind hochwertige Fernwirkverbindungen (4) mit hoher Verfügbarkeit und konstanter Laufzeit erforderlich. Dies führt zu höheren Betriebs- und Investitionskosten. Außerdem wird der Umrichterbetrieb durch Störungen der Fernwirkverbindungen beeinträchtigt.For the voltage transmission between the converter plant ( 1 ) and neighboring plants ( 2 or 4 ) are high quality telecontrol connections ( 4 ) with high availability and constant runtime required. This leads to higher operating and investment costs. In addition, converter operation is impaired by faults in the telecontrol connections.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die Betriebs- und Investitionskosten gesenkt und die Betriebssicherheit erhöht werden.The invention is based on the object to further develop a method of the type described in the introduction, that the Reduced operating and investment costs and operational security elevated become.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruches gelöst. Kern der Erfindung ist es, daß der Spannungsphasenwinkel der Nachbarwerke aus den im Umrichterwerk meßbaren Größen, wie Spannungen und Strömen, bestimmt wird.This task is due to the characteristics of the first claim solved. The essence of the invention is that the Voltage phase angle of the neighboring plants from those in the converter plant measurable Sizes like Voltages and currents, is determined.

In den Grundschwingungen der Umrichterströme und -spannungen sind zwar die Informationen über die Spannungsamplitude und -phasenlage des Nachbarwerkes enthalten, können jedoch wegen der fehlenden Kenntnisse über die Entfernungen der Streckenbelastungen sowie ihre Höhe und Phasenlage nicht verwertet werden.The basic oscillations of the converter currents and voltages contain information about the voltage amplitude and phase position of the neighboring plant, but cannot be used due to the lack of knowledge about the distances of the line loads as well as their height and phase position become.

Im zentralen Bahnstromnetz sind, wie 5 zeigt, hohe Oberschwingungen mit niedrigen ungeradzahligen Ordnungszahlen vorhanden. Diese Oberschwingungen werden, wie in Artikel "Entstehung von Oberschwingungsströmen im 16 2/3-Hz-Fahrleitungsnetz", ZEV+DET Glas. Ann. 118 (1994) Nr. 10 Oktober, Seite 450-454 beschrieben, hauptsächlich durch den Magnetisierungsstrom von Transformatoren hervorgerufen, der wegen der Sättigungserscheinung des Eisenkerns hohe Oberschwingungen enthält. Die Oberschwingungen im Magnetisierungsstrom und damit die dadurch verursachten Spannungsoberschwingungen sind mit der Spannungsgrundschwingung synchron. Im Leerlauf und bei der Vernachlässigung des Leitungswiderstands ist die dritte Oberschwingung mit der Grundschwingung in Phase und die fünfte Oberschwingung der Grundschwingung um 180°/5=36° voreilend. Durch die Belastungen im Bahnstromnetz können die Phasenlagen der Oberschwingungen verändert werden. Wegen der niedrigen Reaktanz des 16 2/3-Hz-Bahnstromnetzes und des hohen Frequenzverhältnisses zwischen Ober- und Grundschwingung ist diese Änderung jedoch sehr klein. Messungen in Bahnunterwerken zeigen, daß die Phasenverschiebungen zwischen Spannungsgrund- und Spannungsoberschwingungen nahezu konstant bleiben.In the central traction current network are how 5 shows high harmonics with low odd atomic numbers. These harmonics are, as in article "Generation of harmonic currents in the 16 2/3 Hz overhead line network", ZEV + DET glass. Ann. 118 (1994) No. 10 October, pages 450-454, mainly caused by the magnetizing current of transformers, which contains high harmonics due to the saturation of the iron core. The harmonics in the magnetizing current and thus the resulting voltage harmonics are synchronous with the fundamental voltage oscillation. When idling and neglecting the line resistance, the third harmonic is in phase with the fundamental and the fifth harmonic of the fundamental by 180 ° / 5 = 36 °. The phases of the harmonics can be changed by the loads in the traction current network. However, this change is very small due to the low reactance of the 16 2/3 Hz traction current network and the high frequency ratio between harmonic and fundamental. Measurements in railway substations show that the phase shifts between voltage fundamental and voltage harmonics remain almost constant.

Da der Umrichter sehr geringe Spannungsoberschwingungen mit niedrigen Ordnungszahlen besitzt (2), werden durch den Parallelbetrieb von Umrichter und Unterwerken über Oberleitungen Stromoberschwingungen hervorgerufen. Die Höhe der Stromoberschwingungen wird hauptsächlich von der Oberleitungsimpedanz bestimmt und ist deswegen von der Länge und vom Schaltzustand der Oberleitung abhängig. Der Phasenwinkel φ zwischen Strom- und Spannungsoberschwingung hängt dagegen vom Verhältnis zwischen Reaktanz und Widerstand der Oberleitung ab und bleibt deswegen unabhängig von der Länge der Oberleitung konstant. Somit bleibt auch die Phasenverschiebung zwischen den Stromoberschwingungen und der Grundschwingung der Unterwerksspannung nahezu konstant. Die für die Regelung des Umrichters benötigte Spannungsphasenlage des Nachbarunterwerks kann deswegen aus den Oberschwingungen des im Umrichterwerk meßbaren Umrichterstroms bestimmt werden.Since the converter has very low voltage harmonics with low atomic numbers ( 2 ), current harmonics are caused by the parallel operation of converter and substations via overhead lines. The level of the current harmonics is mainly determined by the overhead line impedance and is therefore dependent on the length and the switching status of the overhead line. The phase angle φ between current and voltage harmonics, on the other hand, depends on the ratio between reactance and resistance of the overhead line and therefore remains constant regardless of the length of the overhead line. This means that the phase shift between the current harmonics and the fundamental vibration of the substation voltage remains almost constant. The voltage phase position of the neighboring substation required for the control of the converter can therefore be determined from the harmonics of the converter current which can be measured in the converter plant.

Da der Phasenwinkel φ der Stromoberschwingung von der Oberleitungslänge nahezu unabhängig ist, hat der Schaltzustand der Oberleitung kaum Einfluß auf die Genauigkeit dieses Verfahrens. Auch die Streckenbelastungen (z.B. Lokomotiven) haben wegen des hohen Frequenzverhältnisses zwischen Ober- und Grundschwingung nur einen kleinen Einfluß auf die Phasenlage der Stromoberschwingungen.Because the phase angle φ of the current harmonic from the catenary length almost independent is, the switching state of the catenary has little influence on the Accuracy of this procedure. The line loads (e.g. Locomotives) have because of the high frequency ratio between upper and Fundamental vibration only has a small influence on the phase position of the current harmonics.

6 zeigt das Grundprinzip für die Erzeugung des Spannungssollwertes u_Soll aus den Stromoberschwingungen. Zu diesem Zweck wird der Umrichterstrom i gemessen. Mit einer Phase-Locked-Loop (PLL) wird der momentane Phasenwinkel γ_ν der ?-ten Stromoberschwingung berechnet. Durch die Teilung dieses Phasenwinkels durch die Ordnungszahl ? der Oberschwingung ergibt sich der auf die Grundschwingungsfrequenz bezogene Phasenwinkel γ' = γ_ν / ν der Stromoberschwingung. Mit dem Winkel Δ? wird die Phasenverschiebung zwischen Spannungsgrundschwingung des Nachbarwerks und Stromoberschwingung berücksichtigt. Durch die Addition von γ' und Δγ erhält man nun den Phasenwinkel der Spannungsgrundschwingung γ = γ' + Δ? des Nachbarwerks. Da die Spannungsamplitude U des Bahnstromnetzes bei U = 16,5kV nahezu konstant bleibt, kann nun der Spannungssollwert u_soll für die Umrichterregelung nach der Gleichung: usoll = ȖȖsinγ (1) berechnet werden. 6 shows the basic principle for the generation of the voltage _setpoint u _set from the current harmonics. The converter current i is measured for this purpose. The current phase angle γ _{ν of} the? Th current harmonic is calculated using a phase-locked loop (PLL). By dividing this phase angle by the atomic number? the harmonic is the phase angle γ '= γ _ν / ν of the current harmonic related to the fundamental frequency. With the angle Δ? the phase shift between the fundamental voltage of the neighboring plant and the current harmonic is taken into account. By adding γ 'and Δγ we get the phase angle of the fundamental voltage γ = γ' + Δ? of the neighboring plant. Since the voltage amplitude U of the traction current network remains almost constant at U = 16.5kV, the voltage setpoint u Soll can now _{be used} for the converter control according to the equation: u should = ȖȖsinγ (1) be calculated.

Die Phasenverschiebung Δ? zwischen der Spannungsgrundschwingung des Nachbarwerks und der im Umrichterwerk gemessenen Stromoberschwingung kann entweder aus einer übertragenen Unterwerksspannung u_U _w oder aus einer Oberleitungsspannung u_Obl während des Leerlaufs der Oberleitung bestimmt werden. Beim ersten Verfahren (7a) wird der Phasenwinkel γ_U _w der Unterwerksspannung aus der übertragenen Unterwerksspannung u_U _w mit Hilfe einer PLL berechnet. Die Phasenverschiebung Δ? ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Phasenwinkel der Unterwerkspannung γ_U _w. und dem bezogenen Phasenwinkel der Stromoberschwingung γ¹: Δγ = γ_U _w – ?'. Sie wird im Rechner gespeichert und beim Ausfall der Spannungsübertragung für die Bestimmung der Unterwerksspannung aus den Stromoberschwingungen verwendet.The phase shift Δ? between the voltage _{fundamental oscillation of} the neighboring plant and the current harmonic measured in the converter plant can be determined either from a transmitted substation voltage u _U _w or from an overhead line voltage u _Obl while the overhead line is idling. In the first procedure ( 7a ) the phase angle γ _U _{w of} the substation voltage is calculated from the transmitted substation voltage u _U _w using a PLL. The phase shift Δ? results from the difference between the phase angle of the substation voltage γ _U _w . and the related phase angle of the current harmonic γ ¹ : Δγ = γ _U _w -? '. It is stored in the computer and is used to determine the substation voltage from the current harmonics if the voltage transmission fails.

Steht eine Spannungsübertragung nicht zur Verfügung, so kann der Phasenwinkel γ_Uw der Unterwerksspannung aus der im Umrichterwerk meßbaren Oberleitungsspannung u_Obl während des Leerlaufs mit unbelasteten Oberleitungen berechnet werden (7b), da im Leerlauf die Oberleitungsspannung u_Obl mit der Spannung u_Uw des Nachbarwerks in Phase ist.If voltage _{transmission is} not available, the phase angle γ _{Uw of} the substation voltage can be calculated from the overhead line voltage u _{Obl that can be measured} in the converter _plant during idling with no-load overhead lines ( 7b ), since the idle line voltage u _{Obl is} in phase with the voltage u _{Uw of} the neighboring plant.

Claims

Method for determining the voltage phase angle of neighboring plants for the control of train inverters (1 in 6 ), especially for the control of static rail converters that directly connect the 16 2/3-Hz-15 kV overhead lines ( 3 ) feed and over overhead lines with railway substations ( 3 ), which are connected to the central 110 kV-16 2/3 Hz traction current network, or with traction converter plants ( 4 ), which are fed by the 50 Hz state network, characterized in that the phase angle y required for the converter control of the fundamental voltage oscillation of neighboring substations ( 2 ) or converter plants ( 4 ) is detected from the harmonics of a current i measurable in the converter plant.

A method according to claim 1, characterized in that either an inverter current or a catenary current or the total current of the converter plant to determine the voltage phase position of neighboring substations or - converter plants is measured.

Method according to Claim 2, characterized in that the phase angle γ _{ν of} the? Harmonic of the measured current i is calculated either with the aid of a phase-locked loop (PLL) or with the aid of a Fourier analysis.

A method according to claim 1, characterized in that the phase angle of the fundamental voltage oscillation y of neighboring substations or transformer stations according to the two equations:

is calculated, where γ 'is the phase angle of the ν-th current harmonic and Δ? represents the phase shift between this current harmonic and the voltage fundamental of neighboring substations or converter plants.

A method according to claim 1, characterized in that the voltage setpoint u _soll required for the converter control with the equation: u should = Ȗ⋅sinγ (4) is calculated, where U is a constant voltage amplitude.

Method according to Claim 4, characterized in that the phase shift Δγ required for calculating the voltage phase angle γ from neighboring plants from a transmitted voltage u _{Uw of} a neighboring plant ( 7a ) or from a _{catenary voltage} u _Obl measurable in the converter _plant ( 7b ) while the overhead line ( 3 ) is unencumbered, determined and stored.

Method according to claim 6, characterized in that the voltage phase angle γ _U _w of neighboring plants ( 2 or 4 ) either from the transmitted voltage u _U _w ( 7a ) or from the overhead line _voltage u _Obl ( 7b ) is calculated either using a phase-locked loop (PLL) or using a Fourier analysis.

A method according to claim 6, characterized in that the phase shift Δ? according to the equation:

is calculated.