DE1962042A1

DE1962042A1 - Verfahren zur Regelung des Leistungsfaktors oder der Spannung in einem Drehstromnetz mittels einer Hochspannungs-Gleichstrom-Kurzkupplung

Info

Publication number: DE1962042A1
Application number: DE19691962042
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl-Ing Kluge; Kanngiesser Karl Werner
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1969-12-11
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1971-06-16
Also published as: GB1335992A; JPS5443171B1; CH543125A; FR2073139A5; SE365075B

Description

BROWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT MANNHEIM BROWN BOVERl

Mp.-ITr. 687/69 Mannheim, den 20.Nov.1969

Pat/P/Bu.

"Verfahren zur Regelung des Leistungsfaktors oder der Spannung in einem Drehstromnetz mittels einer Hochspannungsffleichstrom-Kurzkupplunff" ■

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HG-Ü) , insbesondere mit kurzer Gleichstromleitung und ausgerüstet mit Kondensatoren und/oder 3?ilterkreisen auf der Drehstromseite der Wechselrichterstation, zur Speisung variabler Wirkleistung in ein Drehstromnetz.

Eine Hochspannungs-G-leichstrom-Übertragung (HG-Ü) dient dem Austausch von Wirkleistung zwischen zwei verschieden starken Drehstromnetzen oder der Einspeisung von Wirkleistung eines Kraftwerkes in ein Drehstromnetz. Nachteilig an einer solchen HGÜ-Verbindung wirkt sich aus» daß die Stromrichter dem Generator oder den angeschlossenen Netzen induktive Blindleistung entnehmen, die der Generator selbst oder zusätzliche Phasenschieber, Jilterkreise und Kondensatorbatterien aufbringen müssen (schwed.AS 306 785 und HGÜ-Schriftenreihe "EIZ-A", Bd.89 (1968), Heft 8 und. 9, S. 31-37). Um bei Laständerungen die Blindleistungsbilanz und damit die Drehspannung aufrecht erhalten zu können, müssen die angeschlossenen Drehstromnetze über eine bestimmte Kurzschlußleistung verfügen, die das 2,5fache der HGÜ-Nennleistung übersteigen soll.

Der Vorteil einer HGÜ-Kupplung gegenüber einer Drehstrom-Kupplung besteht hauptsächlich darin, daß sie eine asynchrone Verbindung darstellt, die die Stabilität des Netzverbandea

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unterstützt und die eine Anpassung an die Betriebseigenschaften der angeschlossenen Fetze ermöglicht. Die bisher üblichen Anwendungsgebiete einer HGÜ-Kupplung beschränkten sich darauf, die übertragene Wirkleistung auf einen gewünschten Wert einzustellen oder sie von Betriebsgrößen der Netze abhängig zu machen·(BBM, 5/69, S. 118). Als eine solche Betriebsgröße kommt in erster Linie die Frequenz in Präge, die durch Änderung des Leistungssollwertes in einem einstellbaren Bereich konstant gehalten wird. Mittels einer HG-Ü-Kupplung kann erreicht werden, daß die übertragene Gleichstromleistung nicht einseitig vom Zustand eines Netzes abhängt, sondern von dem beider gekuppelter oder im Verband arbeitender Netze zugleich. Die Bestimmung der Übertragungsleistung übernimmt dabei entweder eine zentrale Iiastverteilungsstation, die den Leistungssollwert so einstellt, daß die geregelten Betriebsgrößen der Drehstromnetze bestimmte Werte nicht überschreiten, oder eine automatische Regeleinrichtung der HGU. Während also dem Wirklastverhalten bei den bisherigen HG-Ü-Anlagen die größte Bedeutung zukam, hat man das Blindlastverha.lten nur insofern berücksichtigt, als zur Deckung des Blindlastbedarfes der HGÜ-Stationen und eventuell des gespeisten Netzes Kondensatorbatterien und/oder Phasenschieber eingesetzt wurden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die bei einer Stromrichteran-

zu nutzen lage in einer HGU grundsätzlich gegebene Möglichkeil/, neben dem Wirklastverhalten auch das Blindlastverhalten durch geeignete Steuerverfahren zu beeinflussen. In Erweiterung der' bisher üblichen Anwendung einer HGÜ-Yerbindung aum Transport oder zum Austausch von Wirkleistung soll die Gleichstromübertragung erfindungsgemäß noch zusätzlich dasu dienen, einen bestimmten leistungsfaktor oder eine konstante Spannung durch die Änderung ihres Blindlastverha.ltens ein-

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Pot A i I (Hü.i ÜOO/EA>

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zustellen. Um das Blindlastverhalten innerhalb) bestimmter Grenzen zu beeinflussen, ist es notwendig, von den gebräuchlichen Regelverfahren abzugehen, die eine Änderung entweder, des Gleichstromes oder der Gleichspannung zur Grundlage haben.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß eine gleichzeitige Verstellung von Gleichstrom und Gleichspannung nach vorbestimmten Punktionen vorgenommen. Dabei können die Werte von Gleichstrom und Gleichspannung so vorbestimmt werden, daß der Wechselrichter bei geeigneter Dimensionierung einer Kondensatorbatterie an seiner Drehstromsammelschiene mit einem günstigen, z.B. mit einem konstanten cos γ fährt, oder daß die Drehspannungen im gespeisten "Netz konstant gehalten werden. Fach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, nicht nur entweder den cos ψ oder die Drehspannung konstant zu halten, sondern auch beide Werte zusammen so zu verändern, daß sie innerhalb der zulässigen odeij gewünschten Bereiche bleiben.

Zur Erläuterung des-erfindungsgemäßen Regelverfahrens sei die in Fig. 1 wiedergegebene vereinfachte Schaltung angenommen.

Zwei Drehstromnetze 1 und 2 sind über eine HGÜ-Kurzkupplung 3-4 miteinander verbunden. Die Spannung im Punkt 3 sei konstant gehalten, was durch entsprechend geregelte Phasenschieber 5 oder durch das einspeisende Drehstromnetz 1 möglich ist. Ein Gleich- bzw. Wechselrichter ist mit den Positionen 6 bzw. 7 gekennzeichnet, eine Kondensatorbatterie mit 8.

Zur Bestimmung der erfindungsgemäßen Regelkennlinien seien die Gleichungen der auf Nennleistung P^ bezogenen Blindleistung <1

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als Punktion der Übertragungsleistung ρ = |~- aufgestellt und daraus die Betriebsbereiche von Gleich--und Wechselrichter abgeleitet.

Es ist: j

bez. Gleichstrom

bez. Gleichspannung

u _s -— ^ud3ST

17,. β ideelle Leerlauf gleichspannung

Als Gleichung q. == f(p) für konstanten Gleichstrom I^ =

const ergibt sich ein Kreis_TTmit dem Mittelpunkt im Koordinaten

Ursprung und dem Radius r =»— von der Porm

^udN

(Gl.1)

Die Gleichung q. = f(p) für konstante Spannung U^ « ü_jrT = const ergibt sich zu:

Dabei sind:

dx - induktive Spannungsänderung bezogen auf U^^ + - Löschwinkel

Somit liegt der in Pig. 2 schraffiert gekennzeichnete Betriebsbereich von Gleich- (GR-) und Wechselrichter (WR) fest.

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Pat A F I (868. 5000/EA)

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Soll nun ein Wechselrichter mit veränderlicher Wirkleistung, aber mit z.B. konstantem Leistungsfaktor in ein Drehstromnetz einspeisen, was etwa auch die Aufgabe eines Kraftwerkgenerators ist, so läßt sich ein solches Verhalten durch die Be-' ' triebsgeraden b in Pig. 2 darstellen. Diese Geraden liegen außerhalb des Betriebsbereieh.es deß Wechselrichters. Durch einen Blindleistungserzeuger, z.B. durch ein£ "kondensatorbatterie mit konstanter Blindleistung von Betrag IqJ = ψτ=^·

^udtf an der Stelle ρ = O, lassen sich jedoch die Betriebskurven eines Wechselrichters des Verlaufes a in die gewünschten Betriebsgeraden b transportieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Steuerverfahren des Wechselrichters zu finden, das mit konstanter Neigung verlaufende Betriebskurven des Wechselrichters durch die gleichzeitige Verstellung von Gleichstrom und Gleichspannung ergibt. Zur Erläuterung wurden in Fig. 2 drei Werte für den cos .</ von z.B. 0,8; 0,855 und 0,9 angenommen. Die gestrichelt gezeichneten Geraden b liegen im 3. Quadranten, d.h., daß jetzt an der Sammelschiene 4 bei konstantem Leistungsfaktor des Wechselrichters induktive Blindleistung ins Drehstromnetz abgegeben wird,

Die Betriebsgeraden a des Wechselrichters können aber nur erreicht werden, wenn bestimmte Wertepaare für Gleichstrom i und Gleichspannung u vorgegeben werden.

Um diese Wertepaare zu erhalten, wird zunächst eine Gleichung q = f (u,i), die für variables IT, und I^ gilt, angegeben.

(Gl.3)

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P.t 4 M WB. 6000/EA)

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Diese Gleichung wird mit den Geradengleichungen a zum Schnitt gebracht und man erhält die in Pig. 3 dargestellten Verläufe i/ \ und U/ \, die in unserem Beispiel für cos */ ™τ> = 0,855, ■berechnet wurden. Daraus wird ersichtlich, daß im wesentlichen ein Konstantstromverfahren erforderlich ist.

Bei "bisher üblichen 1-2-Übertragungen, insbesondere bei denen mit großer Gleichstrom-Leitungslänge, wurde vorwiegend das Konstantspannungsverfahren angewendet, d.h., daß die. Änderung der Übertragungsleistung durch eine Änderung des Gleichstromes erreicht wurde. Bei Teillast treten also nicht die vollen leitungsverluste auf. Das erfindungsgemäße Regelverfahren ist, da der Übertragungsstrom hierbei nahezu unverändert bleibt, vorwiegend auf eine Kurzkupplung bzw. eine HGÜ mit kurzer Leitung, bei der die Leitungsverluste keine wesentliche Rolle spielen, mit Vorteil anwendbar.

Die Wertepaare i-(_O\ und U/ \ werden erfindungsgemäß ineirtem Punktionsbildner in Abhängigkeit vom Leistungssollwert gebildet und als Strom- und Spannungssollwerte den beiden Reglern zugeführt, welche daraufhin eine gleichzeitige Verstellung vornehmen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gibt der Leistungsregler, wie es in der Praxis einfacher sein wird, nur eine Stellgröße, z.B. die Gleichspannung als Sollwert für den Gleichspannungsregler vor und läßt die zweite Stellgröße, den Gleichstrom, durch einen weiteren cos γ -Regler nachführen. Hierfür ist es im Prinzip gleichgültig, welche der beiden Stationen (GR oder WR) den Strom und welche die Spannung regelt.

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Pat 4 F 1 <8tit) 5000/EA)

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Mit diesen von dem Regeler vorgegebenen Gleichspannungsund Gleichstromsollwerten u, i ergeben sich die entsprechenden Gleichrichterkennlinien c, Fig. 2. Ein an die Sammelschiene , 3 angeschlossener !Phasenschieber 5 kann durch die Änderung seiner Blindleistungsabgabe die Spannung oder den cosy⁷ des speisenden Drehstromnetzes automatisch regeln, sofern dieser mit einem Spannungs- oder cos^-Regler ausgerüstet ist.

Das ungünstige Blinäleistungsverhalten des Gleichrichters wird verbessert, wenn man den Stufenschalter des Stromrichtertransfonaatore zur Regelung des cos; γ im speisenden Drehstromnetz heranzieht.

Bei der Herleitung der Gleichung (3) wurde zunächst angenommen, daß die Drehspannung an der Sammelschiene 3 und die ventilseitige Drehspannung konstant gehalten wird, was durch entsprechend geregelte Phasenschieber 5 möglich ist. Jetzt wird vorausgesetzt, daß die ventilseitige Drehspannung mittels des Stufenschalter des Stromrichtertransformators verändert,werden kann. Mit dieser Maßnahme kann der Blindleistungsbeäarf des Gleichrichters und somit auch der cosy⁷ des speisenden Netzes günstig beeinflußt werden. Zu diesem Zweck wird der Stufenschalter mit einer oosy?- Regelung beaufschlagt.

Dadurch wird es möglich, eine stufenweise Angleichung an einen gewünschten cos γ zu erreichen. Das ungünstige Verhalten des Gleichrichters, das durch die fallenden Geraden C in Pig. 2 gekennzeichnet ist, kann in einem bestimmten Bereich, der durch den Stellbereich des Stufenschalters bestimmt ist, so verbessert werden, daß der Blindleistungsbedarf des Gleichrichters bei abnehmender Wirkleistung nicht wie bisher steigt, sondern ebenfalls abnimmt.

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Das Blindleistungsverhalten des Gleichrichters wird weiter verbessert, wenn man sich, anstelle des speisenden Drehstromnetzes 1 eine Kraftwerkeinspeisung über eine lange Drehstromleitung vorstellt. In diesem Pail interessiert · ' mehr das Blindleistungsverhalten an der Kraftwerksammelschiene, das mittels des Phasenschiebers in 3 so verändert werden kann, daß dort mit konstanter Spannung oder mit

konstantem cos U> , am besten mit cos y = 1, -gefahren werden kann.

Die Torteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

1.Da die HGÜ die Regelung der Spannung oder des cosl^ an der Sammelschiene des gespeisten Netzes übernimmt, braucht dort kein· regelbarer Phasenschieber, sondern nur eine Kondensatorbatterie und/oder Pilterkreise installiert werden, um bei sich ändernder Wirkleistung die Blindleistung so zu verändern, daß entweder ein bestimmter, z.B. konstanter cos d> erreicht wird oder aber die Drehspannung konstantgehalten bzw. in gewünschte Abhängigkeit von der Wirkleistung oder sonstiger Betriebsgrößen gebracht wird.

2. Da die HGÜ-Regelung in die Gittersteuerung der Ventile eingreift, kann sie bei Schwankungen der Drehspannung oder bei Änderungen der Belastung und damit des cos y⁵ sehr viel schneller eingreifen als ein entsprechend geregelter, rotierender Phasenschieber.

3. Die Verluste bei Verwendung einer Kondensatorbatterie sind geringer alä bei Verwendung eines Phasenschiebers.

, Infolgedessen wird der Gesamtwirkungsgrad verbessert.

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Claims

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Patentansprüche j

M.!Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom- j Übertragung (HGÜ), insbesondere mit im Verhältnis zur | Fernübertragung kurzer Gleichstromleitung und mit Kondensatoren und/oder Filterkreisen auf der Drehstromseite der Wechselrichterstation, zur Speisung variabler Wirkleistung, in ein Drehstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Gleichspannung als auch Gleichstrom der HGÜ gleichzeitig derart beeinflußt werden, daß das Blindlastverhalten des Wechselrichters in Kombination mit den Kondensatoren und/oder Filterkreisen optimal geregelt ist.

2. Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach Anspruch 1, dadurch"gekennzeichnet, daß das Blindlastverhalten des gespeisten Netzes durch einen konstanten Leistungsfaktor cos ψ bestimmt ist.

3..Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blindlastverhalten des gespeisten Netzes durch konstante Drehstrom-Sammelschienenspannung bei variabler Wirkleistung bestimmt ist.

4. Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blindlastverhalten des gespeisten Netzes durch gemeinsame Änderung von Leistungsfaktor cos f und Drehstrom-Sammelschienenspannung innerhalb zulässiger Bereiche bestimmt ist.

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5. Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Glelchstrom-Über.tragung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Funktionsbildner in Abhängigkeit vom Leistungssollwert die zur Einstellung •eines bestimmten Blindlastverhaltens festgelegten Wertpaare von Spannung u und Strom i bestimmt,und dem Spannungs- bzw. · S'tromregler als Sollwerte vorgibt.

6. Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der als Leistungsregler dienende Punktionsbildner nur den Regler einer Stellgröße, z.B. der Gleichspannung, beaufschlagt und ein weiterer cos γ — oder Drehspannungs regler die zweite Stellgröße, den Gleichstrom, nachführt.

7. Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stufenschalter des Stromrichtertransformators zur Regelung des cos ψ im speisenden.Drehstromnetz herangezogen wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des sonst üblichen Phasenschiebers nur eine Kondensatorbatterie an der Sammelschiene des gespeisten Drehstromnetzes installiert ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltautomatik zwischen Phasenschieber und Kondensatorbatterie vorgesehen ist, und daß der Phasenschieber bei Energierichtungsänderungen stets an der speisenden, die Kondensatorbatterie stets an der gespeisten Drehs tr omsa:nmelschiene liegt.

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