DE19612744C1 - Transformatoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Transformatoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-AS 19 41 047).

Um den Energiefluß auf einer Übertragungsleitung für elektri­ sche Energie, z. B. auf einer Hochspannungsleitung, nach Be­ darf steuern zu können, werden sogenannte Schräg- oder Zu­ satztransformatoranordnungen verwendet. Dabei werden Längs- und/oder Querspannungen oder -ströme beliebiger Phasenlage in die Übertragungsleitung eingekoppelt
Eine derartige Anordnung umfaßt in der Regel einen mit zumin­ dest einer seiner Wicklungen in die Übertragungsleitung ge­ schalteten Zusatztransformator, der über einen Erregertrans­ formator mit Energie versorgt ist. Die beiden Transformato­ ren, üblicherweise auch als Transformator-Aggregat bezeich­ net, können über ein Steuerglied, z. B. einen Umrichter oder einen Umrichtersatz, miteinander verbunden sein. Eine derar­ tige Anordnung ist beispielsweise aus der DE 43 43 929 A1 be­ kannt. In der Literatur werden derartige Anordnungen auch als UPFC (Unified Power Flow Controller) bezeichnet.

Bei den bekannten Anordnungen nach dem Stand der Technik ist die für die Bemessung maßgebliche Durchgangsleistung der ge­ samten Anordnung das Produkt aus maximalem Netzstrom multi­ pliziert mit der maximalen Zusatzspannung. Im Grenzfall, bei dem der Strom auf einer parallelen ungesteuerten Übertra­ gungsleitung gleich Null ist und der Gesamtstrom über die ge­ steuerte Übertragungsleitung fließt, muß vom Zusatztransfor­ mator die volle Durchgangsleistung aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transformator­ anordnung zur Energieflußsteuerung bei zumindest zwei mitein­ ander verbundenen Übertragungsleitungen anzugeben, wobei bei geringem Aufwand eine Steuerung auf beiden Übertragungslei­ tungen erlaubt.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Transformatoranordnung zum Einspeisen einer Zusatzspannung in eine erste Übertragungsleitung für elektrische Energie, mit einem Zusatztransformator, der mit zumindest einer seiner Wicklungen mit der ersten Übertragungsleitung in Serie schaltbar und über einen Erregertransformator mit Energie versorgt ist, wobei die Wicklung eine Mittenanzapfung hat, die die Wicklung in zwei Teilwicklungen unterteilt, und wobei zur Verbindung der ersten Übertragungsleitung mit einer zwei­ ten Übertragungsleitung die eine Teilwicklung mit der ersten Übertragungsleitung und die andere Teilwicklung mit der zwei­ ten Übertragungsleitung schaltbar ist, derart, daß die Mittenanzapfung einen Netzknoten bildet.

Auf diese einfache Weise ist der Energiefluß auf beiden Über­ tragungsleitungen gleichzeitig steuerbar, wobei die Steuer­ barkeit für beide Übertragungsleitungen gekoppelt ist. Es werden keine zusätzlichen Mittel benötigt. Für die Grenzfäl­ le, bei denen nur jeweils die eine der Teilwicklungen vom ma­ ximalen Strom Ig durchflossen ist, ergibt sich die maßgebli­ che Durchgangsleistung P für die Transformatoranordnung nach der Beziehung

P = 0,5 × Ig × Uz,

wobei mit Uz die Zusatzspannung bezeichnet ist. Bei jeder an­ deren Stromaufteilung erfolgt eine Leistungsübertragung der phasengleichen Stromanteile zwischen den Teilwicklungen, die den Erregertransformator nicht belasten. Bei gleichem Strom auf beiden Übertragungsleitungen befindet sich die Transfor­ matoranordnung unabhängig von der hierfür erforderlichen Zu­ satzspannung im Leerlauf. Die Mittenanzapfung kann dabei zur Energieweiterleitung an ein Netz oder an eine weiterführende Übertragungsleitung angeschlossen sein.

Es können auch eine dritte und vierte Übertragungsleitung vorgesehen sein, die ebenfalls über jeweilige Teilwicklungen eines zweiten Zusatztransformators miteinander verbunden sind, wobei die Mittenanzapfung beider Zusatztransformatoren miteinander verbindbar sind und einen Netzknoten bilden. Auf diese Weise ist quasi ein gesteuerter Netzknoten gebildet, wobei ein Leistungsfluß zwischen beliebigen Leitungspaaren einstellbar ist.

Dabei können mit Vorteil beide Zusatztransformatoren über denk selben Erregertransformator mit Energie versorgt sein. Damit ist der Aufwand im Erregerkreis gering gehalten. Alternativ können die Zusatztransformatoren über separate Erregertrans­ formatoren mit Energie versorgt sein. Dadurch ist gegebenen­ falls eine günstige Aufstellung und eine völlig unabhängige Steuerung möglich.

Die Mittenanzapfung/en kann/können an die Oberspannungsseite des/der Erregertransformators/en schaltbar sein. Der Erreger­ transformator kann somit unabhängig von der Spannung auf den Übertragungsleitungen betrieben werden. Dies ist insbesondere im Fehlerfall günstig.

Es ist von Vorteil, wenn der Erregertransformator als Maschi­ nentransformator dient und an seine unterspannungsseitige Wicklung ein Generator anschließbar ist. Der Erregertransfor­ mator erfüllt somit eine Doppelfunktion. Je nach Auslegung der Transformatoranordnung kann also ein Transformator einge­ spart werden.

Es ist günstig, wenn jeweils zwischen Zusatztransformator und zugeordnetem Erregertransformator ein Steuerglied schaltbar ist. Aus diese Weise ist der Energiefluß besonders gut ein­ stellbar. Mit Vorteil dient dabei als Steuerglied eine Um­ richteranordnung. Damit ist ein gutes Steuerverhalten erziel­ bar. Bevorzugt kommen dabei Halbleiterventile, beispielsweise Thyristoren als Stromrichter zum Einsatz.

Die Umrichteranordnung kann einen Gleichenergiezwischenkreis, insbesondere einen Gleichstrom- oder -spannungszwischen­ kreis, aufweisen. Dadurch ist eine Entkopplung von Energie­ quelle und dem eigentlichen Erregerkreis gegeben.

Die Transformatoranordnung weise bevorzugt eine Phasenanzahl auf, die gleich der Phasenanzahl der Übertragungsleitungen ist. Die bevorzugte Anwendung ist dabei für Drehstromnetze, insbesondere Dreileiter-Drehstromnetze, gegeben.

Die Mittenanzapfung kann einen Abgriff bei etwa 50% der Ge­ samtwindungszahl oder einen abweichenden Wert haben. Damit symmetrische oder asymmetrische Teilwicklungen - je nach Netzanforderung - gebildet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, weitere Vorteile und De­ tails werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Transformatoranordnung,

Fig. 2 eine zweite Transformatoranordnung,

Fig. 3 eine Mehrfachtransformatoranordnung und

Fig. 4 und 5 Wicklungsausführungen für die Transformatoren.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungen sind beispielhaft in einer einpoligen Prinzipdarstellung gezeigt. Selbstver­ ständlich sind diese mehrphasig, insbesondere dreiphasig, - ent­ sprechend der Phasenanzahl der angeschlossenen Netze oder Übertragungsleitungen - ausführbar.

Fig. 1 zeigt eine erste Transformatoranordnung 1a, bei der eine erste oberspannungsseitige Wicklung 3 eines Zusatztrans­ formators 4 in zwei Teilwicklungen 5a und 5b unterteilt ist. Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Teilwicklungen 5a, 5b bildet eine Mittenanzapfung 7. Die beiden Teilwicklungen 5a, 5b sind jeweils mit einer elektrischen Übertragungslei­ tung 9a bzw. 9b in Serie geschaltet, die mit ihren freien Enden miteinander verbunden und mit einem Netz oder, wie bei­ spielhaft gezeigt, mit einem Generator 11 verbunden sind und da­ bei einen Netzknoten X bilden.

Die Mittenanzapfung 7 bildet einen Netzknoten Y, der an ein weiteres Netz N, an einen Verbraucher oder an sonstige elek­ trische Einrichtungen angeschlossen werden kann.

Zur Steuerung des Energieflusses auf den beiden Übertragungs­ leitungen 9a und 9b muß von der ersten Wicklung 3 eine Zu­ satzspannung oder ein Zusatzstrom eingeprägt werden. Der Zu­ satztransformator 4 weist dazu eine Unterspannungs- oder Zwi­ schenkreiswicklung 13 auf, die von einem Erregertransformator 15 mit Energie versorgt ist. Zur genauen Steuerung des Ener­ gieflusses ist ein Steuerglied 17 vorgesehen, das beispiels­ weise als Umsteller oder auch als Umrichteranordnung mit ge­ steuerten Ventilen, insbesondere als Stromrichter, ausgebil­ det sein kann.

Mit der vorliegenden Transformatoranordnung 1a kann bevorzugt der Energiefluß auf Hochspannungsübertragungsleitungen ge­ steuert werden. Gegebenenfalls ist auch eine Verbindung einer Energieflußsteuerung mit einer Schutzüberwachung der Hoch­ spannungsleitung möglich, so daß beispielsweise im Fehlerfall mit, reduzierter Übertragungsleistung noch ein Betrieb möglich ist, oder daß beispielsweise ohne Totalausfall einer Leitung bin Hilfsbetrieb oder eine Fehlerbeseitigung möglich ist.

Durch die Mittenanzapfung am Zusatztransformator 4 für den symmetrischen Fall ist eine Halbierung der Wicklungsleistung gegeben, die den Erregertransformator, das Steuerglied und die Unterspannungs- oder Zwischenkreiswicklung des Zusatz­ transformators 4 betrifft.

Zur Steuerung der Stromaufteilung im von den Übertragungslei­ tungen 9a, 9b gebildeten Ringnetz steht die gesamte Zusatz­ spannung Uz zur Verfügung. In den Grenzfällen, bei denen der Strom Ia oder Ib auf einer der Leitungen gleich dem Gesamt­ strom Ig ist (Ia = Ig oder Ib = Ig) wird nur eine der Teil­ wicklungen 5a oder 5b von Strom durchflossen. Daher ergibt sich für die Bemessung der Gesamttransformatoranordnung die Durchgangsleistung zu

P = ½ × Uz × Ig.

Bei jeder anderen Stromaufteilung erfolgt eine Leistungsüber­ tragung der phasengleichen Stromanteile zwischen den Teil­ wicklungen 5a, 5b, die den Erregertransformator 15 und das Steuerglied 17 nicht belasten. Für Ia = Ib befindet sich die Transformatoranordnung 1a unabhängig von der hierfür erfor­ derlichen Zusatzspannung Uz im Leerlauf.

Selbstverständlich können die Knoten X und Y ihre Funktion als Einspeiseknoten bzw. Abnahmeknoten tauschen. Der Erre­ gertransformator 15 bezieht seine Energie gegebenenfalls von einem weiteren Netz, einer sonstigen Energiequelle oder, wie gezeigt, vom Knoten Y.

Fig. 2 zeigt eine zweite Transformatoranordnung 1b, bei der von einem Generator 19 Energie in die zwei Übertragungslei­ tungen 9a und 9b gesteuert eingespeist werden soll. Der Gene­ rator 19 ist dabei über einen Maschinentransformator 18 an die als Netzknoten Z dienende Mittenanzapfung 7 der Wicklung 3 geführt. Diese ist, wie bereits oben beschrieben, mit den beiden Übertragungsleitungen 9a und 9b verbunden. Der vorlie­ gende Maschinentransformator 18 dient hier gleichzeitig als Erregertransformator.

Der Zusatztransformator 4 ist über eine als Steuerglied die­ nende Umrichteranordnung 21 mit Energie versorgt. Die Umrich­ teranordnung 21 weist bevorzugt einen Gleichenergiezwischen­ kreis 22, insbesondere einen Strom- oder Spannungszwischen­ kreis, auf. Bei dieser Ausführung wird der gesamte Erreger­ transformator eingespart, da diese Funktion von dem ohnehin vorhandenen Maschinentransformator 18 übernommen wird.

Fig. 3 zeigt eine Transformatoranordnung 1c als Mehrfachan­ ordnung, bei der jeweils über einen Zusatztransformator 4a bzw. 4b gekoppelte Übertragungsleitungen 9a bis 9d paarweise über zugeordnete Wicklungen 3a, 3b mit Mittenanzapfungen 7 zu einem Netzknoten K verbunden sind. Es ergeben sich dabei bis zu sechs mögliche Leitungspaarungen, bei denen der Energie­ fluß gesteuert werden kann, nämlich:

9a-9b, 9a-9c, 9a-9d, 9b-9c, 9b-9d und 9c-9d.

Selbstverständlich sind auch Mehrfachverbindungen möglich. Hierdurch ist quasi eine Tandemschaltung gebildet, wobei be­ vorzugt jeder Zusatztransformator 4a, 4b jeweils ein zugeord­ netes Steuerglied 17a bzw. 17b (mit jeweiligen Gleich- und Umrichter) hat. Günstig ist bei dieser Ausführung, daß ledig­ lich ein einziger, gemeinsamer Erregertransformator 15 benötigt wird. Es ist dabei auch eine Ausführung denkbar, bei der jedem Zu­ satztransformator 4a, 4b jeweils nur ein Umrichter als Steu­ erglied zugeordnet ist und bei der die beiden Umrichter über einen gemeinsamen, von einem Gleichrichter versorgten Gleich­ energiezwischenkreis mit dem Erregertransformator 15 verbun­ den, sind. Auf diese Weise kann auch ein Gleichrichter einge­ spart werden.

Unter dem Begriff Mittenanzapfung wird vorliegend eine Anzap­ fung an der Wicklung verstanden, die nicht zwangsläufig di­ rekt "in der Mitte" oder genau bei halber Gesamtwindungszahl liegen muß. Je nach Anforderung der anzuschließenden Leitun­ gen kann nämlich eine symmetrische oder unsymmetrische Auf­ teilung vorgesehen werden.

Fig. 4 zeigt hierzu beispielhaft eine Lagenwicklung mit 2n Lagen konstanter Lagenwicklungsanzahl, bei der die Mittenanzapfung 7 symmetrische Teilwicklungen 5a, 5b bildet. Eine symmetrische Ausführung einer Spulenwicklung könnte entsprechend Fig. 5 ge­ schaltet sein, bei der durch die dortigen Röhrenteilwicklun­ gen 5a, 5b unzulässige Querstreuflüsse vermieden sind.

Selbstverständlich sind einzelne Merkmale der aufgezeigten Ausführungen wahlweise miteinander kombinierbar, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird. Wesentlicher Grundge­ danke ist, daß der Zusatztransformator einen zweigeteilten Aufbau aufweist, wobei zwei Übertragungsleitungen gleichzei­ tig anschließbar sind.

Claims (12)

1. Transformatoranordnung (1a, 1b, 1c) zum Einspeisen einer Zu­ satzspannung (Uz) in eine erste Übertragungsleitung (9a) für elektrische Energie, mit einem Zusatztransformator (4, 4a, 4b), der mit zumindest einer seiner Wicklungen (3) mit der ersten Übertragungsleitung (9a) in Serie schaltbar und über einen Erregertransformator (15) mit Energie versorgt ist, welche Wick­ lung (3) eine Mittenanzapfung (7) hat, die die Wicklung in zwei Teilwicklungen 5a, 5b unterteilt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der ersten Übertragungsleitung (9a) mit einer zweiten Über­ tragungsleitung (9b) die eine Teilwicklung (5a) mit der er­ sten Übertragungsleitung (9a) und die andere Teilwicklung (5a) mit der zweiten Übertragungsleitung (9b) in Serie schaltbar ist, derart, daß die Mittenanzapfung (7) einen Netzknoten (Y) bildet.

2. Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte und vierte Übertragungsleitung (9c, 9d) vorgesehen sind, die ebenfalls über jeweilige Teilwicklungen eines zweiten Zusatztransforma­ tors (4b) miteinander verbunden sind, wobei die Mittenanzap­ fungen (7), beider Zusatztransformatoren (4a, 4b) miteinander verbindbar sind und einen Netzknoten (K) bilden.

3. Transformatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zusatztransformato­ ren (4a, 4b) über denselben Erregertransformator (15) mit Energie versorgt sind.

4. Transformatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatztransformatoren (4a, 4b) über separate Erregertransformatoren mit Energie ver­ sorgt sind.

5. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mit­ tenanzapfung/en (7) an die Oberspannungsseite des/der Erre­ gertransformators/en (15, 18) schaltbar ist/sind.

6. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Erre­ gertransformator als Maschinentransformator (18) dient, wobei an seine unterspannungsseitige Wicklung ein Generator (19) anschließbar ist.

7. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen Zusatztransformator (4, 4a, 4b) und zugeordnetem Erre­ gertransformator (15, 18) ein Steuerglied (17, 17a, 17b) schalt­ bar ist.

8. Transformatoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerglied (17, 17a, 17b) eine Umrichteranordnung (21) dient.

9. Transformatoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umrichteranordnung (21) einen Gleichenergiezwischenkreis (22) aufweist.

10. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pha­ senanzahl gleich der Phasenanzahl der Übertragungsleitungen (9a bis 9d) ist.

11. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mit­ tenanzapfung/en (7) den Abgriff bei etwa 50% der Gesamt­ windungszahl der Wicklung (3) hat/haben.

12. Transformatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mit­ tenanzapfung (7) den Abgriff bei 50% der Gesamt­ windungszahl der Wicklung (3) hat.