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Die Erfindung betrifft eine Steuerung für eine Blindleistungskompensationsanlage und ein Verfahren zur Steuerung einer Blindleistungskompensationsanlage sowie eine Blindleistungskompensationsanlage mit mindestens einer entsprechenden Steuerung.
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Eine Blindleistungskompensationsanlage (SVC) in einem Energieübertragungsnetz hat die Aufgabe, eine Systemspannung durch Erzeugung oder Absorption von Blindleistung dynamisch zu stabilisieren. Dazu wird in einem Reglungssystem ein PI Regler (also ein Regler mit einem proportionalen Anteil und einem integrierenden Anteil) eingesetzt, der als eine Eingangsgröße die Differenz zwischen einer aktuellen Systemspannung und einem Sollwert hat.
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Die Übertragungsfunktion des PI Reglers lautet:
wobei
- X
- eine Eingangsgröße des Reglers (z.B. die Spannungsabweichung von dem Sollwert),
- Y
- eine Ausgangsgröße des Reglers (z.B. die benötigte Blindleistungsanforderung),
- Kp
- eine Reglerverstärkung,
- TI
- eine Integrationszeitkonstante des Reglers und
- s
- den Laplace-Faktor
bezeichnen.
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Die Reglerverstärkung Kp und die Integrationszeitkonstante TI bestimmen die Reglercharakteristik, wobei die Integrationszeitkonstante TI bei der Blindleistungskompensationsanlage (SVC) konstant bleibt und die Reglerverstärkung Kp entsprechend einer Netzkurzschlussleistung (SCL) angepasst wird, um das gleiche dynamische Verhalten der SVC über einen breiten Variationsbereich der Netzkurzschlussleistung zu gewährleisten. Für Netze mit hoher Netzkurzschlussleistung wird dabei eine große Verstärkung benötigt, für schwache Netze mit geringer Kurzschlussleistung eine kleine Verstärkung.
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Die Messung der Netzspannung erfolgt mittels eines Spannungswandlers, dessen Ausgangswert über einen Messumformer auf ein Spannungsniveau in der Größenordnung von ±10 VAC gebracht und dann über einen Analog-Digital-Wandler in das Regelungssystem der SVC eingelesen wird. In dem Regelungssystem wird aus den dreiphasigen Spannungsmesswerten durch mehrfache Transformation ein einphasiger Mittelwert als Effektivwert gebildet. Dieser Effektivwert wird zur Bestimmung der Eingangsgröße X verwendet.
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Im Energieübertragungsnetz werden sehr lange Übertragungsleitungen oft mittels Serienkapaziäten (FSCs) kompensiert, um die elektrischen Verluste auf der Leitung zu verringern. Die Serienkapazität und die Leitungsinduktivität bilden dabei einen Reihenschwingkreis mit einer Resonanzfrequenz, die kleiner als die Netzfrequenz ist (dies wird auch bezeichnet als subsynchrone Resonanz SSR – "subsynchronous resonance").
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Dieser Resonanzpunkt wird durch dynamische Vorgänge im Netz (Schalthandlungen Netzfehler, etc.) angeregt und führt zu zusätzlichen Schwingungen der Systemspannung. Da die Resonanzfrequenzen zum größten Teil in einem Bereich größer als 10 Hz liegen, ist es mit herkömmlicher in SVCs angewendeter netzgeführter Umrichtertechnologie nicht möglich, diese aktiv zu dämpfen.
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Diese zusätzlichen Schwingungen werden auf dem einphasigen Effektivwert der Systemspannungsmessung und somit auch für den SVC Regler sichtbar und beeinflussen das dynamische Verhalten der SVC bis hin zur Instabilität.
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Bei Erkennen einer Instabilität des Reglers greift innerhalb des SVC Regelungssystems eine Schutzfunktion ein, die die Reglerverstärkung stufenweise um jeweils 20% verringert bis ein stabiler Arbeitspunkt wiederhergestellt ist. Im Fall einer extern verursachten Instabilität wie der SSR führt dieser Ansatz jedoch nicht zum gewünschten Erfolg, da die Ursache der Schwingung nicht behoben wird und die Reglerverstärkung letztlich schrittweise bis nahezu null reduziert wird. Damit wird die SVC nahezu lahmgelegt, der Reglerausgang und somit die angeforderte Blindleistung ändert sich nur noch sehr langsam, z.B. im Bereich von Sekunden. Hingegen liegt die Reaktionszeit während des Normalbetriebs bei ca. 30–35 ms in einem Netz mit einer Netzfrequenz von 60 Hz. Bis zu diesem Zeitpunkt wird die SVC allerdings die Schwingungen der Systemspannungen noch verstärken, da durch den sich ergebenden Messverzug und die Reaktionszeit der SVC die eingeleiteten Maßnahmen immer zu spät eintreten und erst in dem Moment wirken, wenn eigentlich schon eine gegenläufige Maßnahme erforderlich wäre.
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Die SSR kann mittels einer geeigneten Filterung des Spannungssignals innerhalb der Messwerterfassung unterdrückt werden. Dies führt allerdings zur Verlangsamung der Messkette und beeinträchtigt somit das dynamische Verhalten der SVC. Das ist insbesondere von Nachteil, wenn mehreren Leitungen kompensierten werden sollen.
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1 zeigt ein schematisches Schaubild mit Übertragungsleitungen 101, mehreren SVCs 102 bis 104, Schaltanlagen 105, Serienkapazitäten FSCs 106, Generatoren 107 und Transformatoren 108.
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Einige Übertragungsleitungen 101 sind in der Nähe der SVCs 102 bis 104 angeordnet, wobei die Übertragungsleitungen mittels der Serienkapazitäten 106 kompensiert werden sollen. Hierbei ist es von Nachteil, dass sich verschiedene Resonanzfrequenzen überlagern. Zusätzlich können z.B. aufgrund von Wartungsarbeiten oder aufgrund technischer Störungen einzelne Serienkapazitäten 106 nicht im Betrieb sein. Dies führt zu einer großen Anzahl möglicher Kombinationen aktiver und inaktiver Serienkapazitäten 106 und somit zu einer Vielzahl möglicher Resonanzfrequenzen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und eine Lösung anzugeben, die insbesondere eine effiziente Filterung für Blindleistungskompensationsanlagen (SVCs) in einem Energieübertragungsnetz ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Steuerung für eine Blindleistungskompensationsanlage vorgeschlagen, umfassend
- – ein erstes Filter,
- – ein zweites Filter,
- – eine Verarbeitungseinheit, anhand derer abhängig von Schwingungen einer Netzspannung oder einer gefilterten Netzspannung entweder das erste Filter oder das zweite Filter aktivierbar ist.
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Durch die selektive Aktivierung entweder des ersten oder des zweiten Filters ist es möglich, bestimmte Frequenzen, insbesondere Frequenzen, die geringer sind als die Netzfrequenz des Übertragungsnetzes an dem die Blindleistungskompensationsanlage betrieben wird, mit dem zweiten Filter zu unterdrücken und somit zu verhindern, dass das dynamische Verhalten der Blindleistungskompensationsanlage beeinträchtigt wird.
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Bei der Netzspannung oder der gefilterten Netzspannung kann es sich um eine Netzspannung eines Übertragungsnetzes handeln, die z.B. über das erste Filter oder das zweite Filter und zusätzlich ggf. über mindestens ein weiteres Filter (z.B. Netzfilter) gefiltert wurde. Somit werden insbesondere auch Schwingungen der anhand des ersten oder zweiten Filters gefilterten Netzspannung berücksichtigt.
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Somit kann das zweite Filter, das beispielsweise als ein Bandpassfilter ausgestaltet ist, nur bei Bedarf, z.B. im Falle (drohender) instabiler Bedingungen, eingeschaltet werden, während unter stabilen Bedingungen im Energieübertragungsnetz das normale und schnelle Reaktionsvermögen der Blindleistungskompensationsanlage mittels des dann aktiven ersten Filters gewährleistet bleibt.
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Ein weiterer Vorteil der vorgestellten Lösung besteht darin, dass eine Filterung der Messwerte der Systemspannung bei mehreren kompensierten Leitungen mit einer Vielzahl von Resonanzfrequenzen möglich ist.
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Eine Weiterbildung ist es, dass das erste Filter im Standardbetrieb der Blindleistungskompensationsanlage und das zweite Filter zur Filterung von subsynchronen Resonanzfrequenzen einsetzbar sind.
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Bei der subsynchronen Resonanzfrequenz (SSR) handelt es sich um eine Frequenz, die geringer als die Netzfrequenz des Übertragungsnetzes ist. Solche subsynchronen Resonanzfrequenzen werden vorzugsweise mit dem zweiten Filter teilweise oder vollständig ausgefiltert, reduziert oder unterdrückt.
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Eine andere Weiterbildung ist es, dass das zweite Filter als ein Bandpassfilter ausgestaltet ist.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass das erste Filter mindestens ein Kerbfilter umfasst.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass anhand der Verarbeitungseinheit bestimmbar ist, ob die Netzspannung oder die gefilterte Netzspannung subsynchrone Resonanzen aufweist.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Steuerung einen Regler umfasst, der mit der Netzspannung oder der gefilterten Netzspannung verbindbar ist und an dessen Ausgang ein Reglerausgangssignal bereitstellbar ist, anhand dessen eine Blindleistung zur Einstellung eines Steuersatzes der Blindleistungskompensationsanlage vorgebbar ist.
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Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist die Verarbeitungseinheit derart ausgestaltet, dass
- – ein Ausgangssignal des ersten Filters mit einem Ausgangssignal des zweiten Filters vergleichbar ist und bei einer Abweichung der beiden Ausgangssignale um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert für mindestens eine vorgegebene Zeitdauer das erste Filter aktivierbar ist;
- – basierend auf der Netzspannung oder der gefilterten Netzspannung vor dem Regler und basierend auf dem Reglerausgangssignal das zweite Filter aktivierbar ist.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass basierend auf der Netzspannung oder der gefilterten Netzspannung vor dem Regler und basierend auf dem Reglerausgangssignal das zweite Filter aktivierbar ist, sofern eine Frequenz des Reglerausgangssignals bestimmbar ist, das einen vorgegebenen Schwellwert, insbesondere für eine vorgegebene Zeitdauer oder Anzahl von Schwingungen oder von Teilen der Schwingungen, erreicht oder überschreitet.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass die Verarbeitungseinheit derart ausgestaltet ist, dass nach Aktivierung des ersten Filters eine Verstärkung des Reglers reduzierbar ist.
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Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Regler ein PI Regler ist.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Verarbeitungseinheit derart ausgestaltet ist, dass basierend auf einer erkannten Unterspannung, insbesondere bei Auftreten der Unterspannung für eine vorgegebene Zeitdauer oder Anzahl von Schwingungen oder von Teilen der Schwingungen, in der Netzspannung oder der gefilterten Netzspannung das zweite Filter aktivierbar ist.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe wird auch eine Blindleistungskompensationsanlage vorgeschlagen umfassend mindestens eine Steuerung wie hierin beschrieben.
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Ferner wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb einer Blindleistungskompensationsanlage vorgeschlagen, bei dem abhängig von Schwingungen einer Netzspannung oder einer gefilterten Netzspannung entweder ein erstes Filter oder ein zweites Filter aktiviert wird.
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Eine Weiterbildung ist es, dass das erste Filter im Standardbetrieb der Blindleistungskompensationsanlage und das zweite Filter zur Filterung von subsynchronen Resonanzfrequenzen eingesetzt werden.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass
- – ein Ausgangssignal des ersten Filters mit einem Ausgangssignal des zweiten Filters verglichen wird und bei einer Abweichung der beiden Ausgangssignale um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert für mindestens eine vorgegebene Zeitdauer das erste Filter aktiviert wird;
- – basierend auf der Netzspannung oder der gefilterten Netzspannung vor einem Regler und basierend auf einem Reglerausgangssignal das zweite Filter aktiviert wird, wobei der Regler mit der Netzspannung oder der gefilterten Netzspannung verbunden ist und an dessen Ausgang ein Reglerausgangssignal bereitstellt, anhand dessen eine Blindleistung zur Einstellung eines Steuersatzes der Blindleistungskompensationsanlage vorgegeben wird.
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Die Ausführungen betreffend die vorstehende Steuerung gelten für die anderen Anspruchskategorien entsprechend.
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Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
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Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z.B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt.
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Die hier genannte Verarbeitungseinheit kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Es zeigt:
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2 ein schematisches Schaltbild umfassend eine Logik anhand derer automatisiert zwischen einem Standardfilter und z.B. einem SSR-Filter umgeschaltet werden kann.
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Es wird vorgeschlagen, ein Filter, insbesondere ein Bandpassfilter nur selektiv einzusetzen, um in einem Energieübertragungsnetz das normale und schnelle Reaktionsvermögen einer Blindleistungskompensationsanlage (SVC) nicht zu beeinträchtigen. Vorzugsweise wird dadurch auch die Funktionalität der Blindleistungskompensationsanlage bei Frequenzen, die geringer sind als die Netzfrequenz (SSR), gewährleistet.
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Um das Bandpassfilter (hier beispielhaft genannt für ein beliebiges SSR-Filter) nicht dauerhaft zu betreiben, wird beispielhaft eine Logik vorgeschlagen, anhand derer bestimmt werden kann, ob aktuell erhebliche Schwingungen im Netz vorhanden sind, die nicht von der Blindleistungskompensationsanlage (SVC) mit aktivem Standardfilter gedämpft werden können. Ist dies der Fall, kann das Bandpassfilter für die Messwerterfassung einer 3-phasigen Systemspannung eingeschaltet werden und in diesem Fall das Standardfilter, z.B. eine Standardfilterkette, ersetzen. Die Standardfilterkette ist beispielsweise so ausgestaltet, dass sie nur bestimmte Resonanzfrequenzen, z.B. Schwingungen bei 120 Hz, 180 Hz und 370 Hz unterdrückt.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild umfassend eine Logik anhand derer automatisiert zwischen einem Standardfilter 201 und einem Filter 202, z.B. einem subsynchrones Resonanz-Filter (SSR Filter), umgeschaltet werden kann. Bei dem Filter 202 handelt es sich beispielsweise um ein Bandpassfilter, insbesondere um ein Bandpassfilter n-ter (z.B. 6-ter) Ordnung. Bei dem Standardfilter 201 handelt es sich z.B. um ein Kerbfilter für die 2., 3. und 6. Harmonische.
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Eine dreiphasige Netzspannung 203 (auch bezeichnet als Systemspannung) wird dem Standardfilter 201, dem Filter 202 und einer Unterspannungserkennung 204 zugeführt.
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Das Standardfilter 201 ist ausgangsseitig mit einem ersten Anschluss eines Schalters 205 (der als ein Umschalter ausgeführt sein kann) verbunden. Das Filter 202 ist ausgangsseitig mit einem zweiten Anschluss des Schalters 205 verbunden. Der Schalter 205 wird durch ein RS-Flip-Flop 214 angesteuert: Wird das RS-Flip-Flop 214 über den SET-Eingang gesetzt, so wird das Filter 202 mit einem Ausgang des Schalters 205 verbunden; wird das RS-Flip-Flop 214 über den RESET-Eingang zurückgesetzt, so wird das Standardfilter 201 mit dem Ausgang des Schalters 205 verbunden. Der SET-Eingang des RS-Flip-Flops 214 wird über den Ausgang einer Stabilitätsüberwachung 208 angesteuert.
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Der Ausgang des Schalters 205 liefert einen Messwert Uist an eine Einheit 215, die eine Differenz X bildet aus einem vorgegebenen Sollwert Usoll und dem Messwert Uist, d.h. X = Usoll – Uist, wobei die Differenz X als Eingangssignal eines PI Reglers 206 dient. Der PI Regler 206 stellt an seinem Ausgang ein Reglerausgangssignals Y bereit, das einem SVC Steuersatz 207 zugeführt wird. Demnach wird basierend auf dem Reglerausgangssignal Y die Blindleistungskompensationsanlage eingestellt, das Reglerausgangssignal Y gibt somit die Blindleistung vor.
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Die Stabilitätsüberwachung 208 erhält als Eingangssignale den Messwert Uist sowie das Reglerausgangssignal Y. Die Stabilitätsüberwachung 208 erkennt mehrfach aufeinanderfolgende Wechsel im Anstieg des Reglerausgangssignals Y des PI Reglers 206, also Schwingungen. Die Frequenz dieser Schwingungen kann mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob die Frequenz der Schwingungen mehr als 4 Hz beträgt. Beispielsweise kann nach 4 aufeinanderfolgenden Wechseln des Anstiegs des Reglerausgangssignals Y das Filter 202 eingeschaltet werden, indem die Stabilitätsüberwachung 208 den SET-Eingang des RS-Flip-Flops 214 ansteuert. Dies führt zum Abklingen des Messwerts Uist und des Reglerausgangssignals Y.
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Zur Optimierung und zur Erkennung von Netzfehlern, bei denen subsynchrone Resonanzen z.B. nach einer Fehlerbeseitigung auftreten, wird zusätzlich nach dem Auftreten von Unterspannungen der Netzspannung 203 nach beispielsweise drei aufeinanderfolgenden Anstiegsänderungen des Spannungsmittelwertes auf das Filter 202 umgeschaltet. Derartige Unterspannungen werden von der Unterspannungserkennung 204 detektiert und der Stabilitätsüberwachung 208 angezeigt. Die Stabilitätsüberwachung 208 aktiviert daraufhin den SET-Eingang des RS-Flip-Flops 214 und somit das Filter 202.
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Um zu entscheiden, wann wieder auf das Standardverfahren (mit aktivem Standardfilter 201) zurückgeschaltet werden kann, werden die Ausgänge des Standardfilters 201 und des Filters 202 miteinander verglichen: Hierzu wird mittels einer Einheit 209 eine Differenz gebildet und mittels einer Einheit 210 ein Betrag der Differenz bestimmt. Der Betrag der Differenz wird mittels eines Vergleichers 211 mit einem vorgegebenen Referenzwert 212, z.B. 0,2%, verglichen. In diesem Beispiel gilt: Wenn die Differenz aus den Messwerten an den Ausgängen des Standardfilters 201 und des Filters 202 nicht mehr größer als 0,2% für eine Zeitdauer (z.B. mindestens eine Sekunde) ist, die durch ein Zeitglied 213 vorgegeben ist, wird ein RS-Flip-Flop 214 über seinen RESET-Eingang zurückgesetzt und somit der über das RS-Flip-Flop 214 angesteuerte Schalter 205 so eingestellt, dass das Standardfilter 201 (und nicht mehr das Filter 202) aktiviert ist.
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Die Stabilitätsüberwachung 208 bleibt vorzugsweise auch weiterhin aktiv und kann z.B. nach 6 aufeinanderfolgenden Wechseln im Anstieg des Reglerausgangssignals Y optional die Reglerverstärkung des PI Reglers 206 reduzieren. Die maximal erlaubte Schwingfrequenz kann auf 3 Hz reduziert werden, da die Eigenresonanzfrequenz des PI Reglers 206 durch das Filter 202 reduziert wird und weiterhin eine zuverlässige Erkennung von Instabilitäten des SVC Regelkreises zu erfolgen hat.
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Weitere Vorteile:
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Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz zur Erkennung von externen Schwingungen und dem daraus resultierenden temporären Einsatz des nötigen Filters 202 (SSR-Filter, z.B. Bandpassfilter) wird das dynamische Verhalten der Blindleistungskompensationsanlage unter stabilen Netzbedingungen nicht beeinträchtigt.
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Im Fall von auftretenden subsynchronen Resonanzen werden diese zuverlässig erkannt und aus dem einphasigen Mittelwert der dreiphasigen Systemspannungen ausgefiltert, so dass der SVC Regler nicht darauf reagiert. Dadurch wird die Reaktionszeit der Blindleistungskompensationsanlage für die Zeit, in der das Filter 202 aktiv ist, beispielsweise von normal ca. 30 ms auf ca. 100 ms erhöht, bleibt dabei aber immer noch ausreichend reaktionsfähig.
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Auch werden nach dem Zuschalten des Filters 202 die Schwingungen im Netz nicht mehr verstärkt, was die Belastung der Hochspannungskomponenten (thermische Belastung, Spannungsbeanspruchung der Isolation...) verringert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
