DE2022055A1

DE2022055A1 - Steuersystem fuer Hochspannungsnetze

Info

Publication number: DE2022055A1
Application number: DE19702022055
Authority: DE
Inventors: Ainsworth John Desmond
Original assignee: English Electric Co Ltd
Current assignee: English Electric Co Ltd
Priority date: 1969-05-09
Filing date: 1970-05-05
Publication date: 1970-11-19
Also published as: SE361565B; US3668413A; CH522312A; FR2047408A5; GB1295855A

Description

PATENTANWÄLTE "

DIPL-JNG. GÜNTHER KOCH
DR. TINO HAI BACH

8 MÜNCHEN 2, 5· Mal 1970

UNSER ZEICHEN· \2 6j57 - K/vM

The English Electric Company Limited, London, England. Steuersystem für Hochspannungsnetze

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem zur Steuerung der Leistung oder des Stromes in einer Hochspannungs-Gleich-Stromverbindung, die zwischen zwei Wechselstromsystemen liegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Leistungsschwingungen zu dämpfen, die in derartigen Systemen häufig nach großen Störungen, z.B. zeitweiligen Leitungskurzschlüssen, auftreten.

Gemäß der Erfindung weist die Steuereinrichtung zur "Steuerung der elektrischen Leistung oder des Stromes in einer Hochspannungsgleichstromverbindung, die zwischen zwei Wechselstromsystemen liegt, eine Vorrichtung auf, die ein Ausgangssignal liefert, das der Änderungsfunktion des absoluten Phasenwinkels 0 einer Wechselspannung in wenigstens einem der Wechselstromsysteme proportional ist, wobei die Knderungsfunktion im wesent liehen von der Gestalt ist:

f(p) = K0 .PT₁Z(I +PT₁)- pT₂/(1+ PT₂)-- pT_n/(l + PT_n)*

wobei K die Verstärkerkonstante, T₁ - T_n Zeitkonstanten, ρ der Differentialoperator d/dt 1st, wobei ein Steuersignaigenerator gemäß einem vorbestimmten Leistungs- oder Strombefehlssignal und gemäß dem Ausgangssignal wirksam wird, um ein SteuerElgnal zu erzeugen,und daß eine Steuerstufe .vorgesehen ist, um einen

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Konverter in aev Gleichstromverbindung zu steuern und gemäß dem Steuersignal der Leistung oder dem Strom eine Veränderungskomponente aufzuprägen, die proportional dieser Knderungsfunktion ist.

Außer zur Dämpfung von LeistungsSchwankungen kann das Steuersystem nach der Erfindung leicht einen stetigen Lastausgleich zwischen verschiedenen Wechselstromgeneratoren und dem Gleichstromsystem bewirken.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1 eine erste Ausführungsform eines Steuersystems nach der

Erfindung,
Pig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung des Systems zur Erlangung des Signales, welches einer Änderungsfunktion des absoluten Phasenwinkels des Wechselstromsystems proportional ist.

Pig. 1 zeigt ein einfaches Netz, bestehend aus zwei Wechselstromsystemen, die Über eine Gleichstromverbindung gekoppelt sind. Das erste Wechselstromsystem weist Synchrongeneratoren 1 und 2 mit ihren Reaktanzen 3,4 auf, die jeweils eine Last 5,6 und 7 speisen, wobei die Leitungsreaktanzen schematisch mit 8 und 9 gekennzeichnet sind. Das zweite Wechselstromsystem weist einen einzigen Generator 10 auf, dem die Reaktanz 11 zugeordnet ist. Die Gleichstromverbindung umfaßt zwei Wandler 12^13, die als Gleichrichter bzw. als Wechselrichter arbeiten.

Die Steuerung der Wandler wird über einen Steuerkreis 14 bewirkt, der auf den Ausgang einer Summierungsstufe 15 anspricht, die ein manuell eingestelltes Leistungs- oder Strombefehlssignal an der Klemme 16 und den Ausgang des Meßgerätes 17 summiert, der ein Hilfssignal liefert, das proportional einer Änderungsfunktion

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eines absoluten Sammelschienenphasenwinkels 0 des Wechselstromsystems ist, an das das Gerät angeschaltet ist.

Im Betrieb bewirkt jede Störung des dargestellten Systems,z.B. die Anschaltung einer großen Last oder ein zeitweiliger Kurzschluß an irgendeinem Punkt, das Auftreten von Schwingungen im Leistungsfluß in den Maschinen und Leitungen und zwar typischerweise in der Größenordnung von 0,3 bis 3 Hz. Die Meßvorrichtung 17 liefert, wie erwähnt, ein Hilfssignal, das einer inderungsfunktion des absoluten Phasenwinkels des Wechselstromsystems proportional ist, welches durch die Schwingungen beeinträchtigt wird und das resultierende Signal, das der Steuerstufe 14 züge- ^ führt wird, bewirkt eine Dämpfung dieser Schwingungen und es ^ hat mit einem Leis'tungsbefehlssignal an der Klemme 16 die Gestalt von

^PBefehl ⁼ Einstellung ^{+ f}^^p^ ^

f(p) wird durch die Meßvorrichtung 17 bestimmt und hat die Form

f(p) = K PT₁Z(I +PT₁) · PToZ(I + PT_O) pT (1 + pT )

Ji ι e. c. η · η

dabei ist K die Verstärkerkonstante (Watt pro Radiant) und T₁, T₂- T sind Zeitkonstanten.

In der Praxis ist die Vorrichtung so ausgelegt, daß die Funktion

nur einen, zwei oder drei Ausdrücke umfaßt. j

Bei einem konstanten Wert des Phasenwinkels 0 ist das Hilfssignal Null, aber für kleine Frequenzänderungen Af von einem Nennwert kann gezeigt werden, daß

ρ 0 = 2 Tt f.

Wenn demgemäß die Meßvorrichtung für einen einzigen Ausdruck K PT₁Z(I + PT₁) ausgelegt ist; dann stellt bei einem konstanten Frequenzfehler das HilfsSteuersignal auf einen konstanten Wert K.2 T A f .T₁ ein.

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Dieses Verfahren ergibt daher eine Leistungs/Frequenzsteuerung und die Gleichstromleistung ist abhängig von dem Frequenzfehler mit einem Leistungs/Frequenzabfall von 2 7J^KT₁ Watt pro Herz. Diese Art der Stetigkeitssteuercharakteristik ist gleich jener der Wechselstromgeneratoren, so daß das System benutzt werden kann, um den Stetigkeitszustandslastausgleich zwischen den Wechselstromgeneratoren und der Gleichstromverbindung herzustellen.

Wenn die Meßvorrichtung für eine Doppelausdruck-Änderungsfunktion, d.h. für 5

f(p) = K PT₁Z(I + PT₁) . PT₂Z(I + PT₂)

ausgelegt wird, dann kann ein verbesserter Dämpfeffekt gegenüber einer Anordnung mit einer Knderungsfunktion mit einem Ausdruck erlangt werden.

Die Summation von Kombinationen unterschiedlicher Funktionen ist möglich. Eine solche Funktion ist z.B. f(p) = K₁PT₁Z(I + PT₁) - PT₂Z(I + PT₂) + K₂PT₃Z(I + PT₃)

In dieser Funktion können die konstanten K,, T,, T₂ in der Doppelausdruck-Änderungsfunktion allein gewählt werden, um eine Dämpfung des Wechselstromsystems zu erzielen, während die konstanten K₂,T-,allein im Hinblick auf eine geeignete LeistungsZ Frequenzcharakteristik für Lastverteilung gewählt werden können. So können die beiden Funktionen,nämlich Dämpfung und Lastverteilung, unabhängig eingestellt werden, indem in geeigneter ^ Voreinstellungen für die Konstanten getroffen werden.

Bei einer Zweiklemmen-Gleichstromverbindung, wie dargestellt, ist es möglich, Signale von jedem der beiden Wechselstromsyste me zu erhalten, so daß die Gleichstromleistung auf ihre Summe anspricht und die gelieferten Signale stellen einen,zwei oder mehrere Änderungsfunktions-Ausdrücke in Abhängigkeit von der Komplexheit des Wechselstromsystems dar.

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Da Änderungen der Gleichstromleistung notwendigerweise beide Wechselstromsysteme beeinflussen, führt eine Störung in einem System zu einer Störung in dem anderen, jedoch hat sich in der Praxis eine gute Dämpfung selbst in Fällen als möglich erwiesen, in denen die gegenseitige Beeinflussung am ungünstigsten war, z.B. wenn beide Wechselstromsysteme ähnliche Schwingungsfrequenzen aufweisen.

Bei einer Steuerung von beiden Wechselstromsystemen aus ist eine Fernmeldeverbindung für eines der Signale erforderlich, wo der Gleichstromsteuerkreis an einer der Konverterstationen angeordnet ist.; .'■'■ '■■ - - · ' ■■' ■■,■■■.■■._■ :^;

In gewissen Fällen können die Wechselstromsysteme zusätzlich über eine oder zwei oder mehrere Wechselstromleitungen verbunden sein, d.h. über Wechselstromleitungen, die parallel zu der Gleichstromverbindung verlaufen. ^r

Die Meßvorrichtung 17, die benutzt wird, um das Hilfsslgnal zu erzeugen, kann vorzugsweise von der Bauart sein, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 20 19 212.5 beschrieben ist. Eine schematische Ausführungsform einer solchen Meßvorrichtung ist in Fig.2 dargestellt. Eine Eingangswechselspannung der Amplitude V. mit absolutem Phasenwinkel 0 (zur Vereinfachung ist nur eine * einzige Phase dargestellt) wird von der Wechselstromsammelschiene einem Eingang eines Phasenkomparators 18 zugeführt. Der andere Eingang dieses Komparators wird von einem spannungsgesteuerten Oszillator 19 beliefert, der eine sinusförmige Spannung konstanter Amplitude V₂ mit einer Frequenz und demgemäß mit absolutem Phasenwinkel 0₂ liefert, abhängig von der Eingangssteuerspannung V₀. Diese Eingangsspannung wiederum wird über eine Rückkopplung vom Ausgang(V₀) des Komparators an der Klemme 20 abgenommen und diese Rückkopplung enthält einen Phasenumkehrfunktionsverstärker 21 mit hohem Verstärkungsgrad, der Eingangselemente R₁,R₂>^Gx ^und

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Rückkopplungselemente R,,Rj,,Cg besitzt. Der Komparator ist von jener Bauart ₉ die eine Ausgangsspannung V proportional zu cos (0_χ - 0₂) liefert, so daß für 0_χ - 0₂ = ^/2, V_Q ist gleich Null.

Im Betrieb hat der Oszillator während stetiger Betriebsbedingungen bei der Normalfrequenz (f ) des Wechselstromsystems einen Ausgang, der gleich dieser Frequenz ist, aber er arbeitet unter einem Phasenwinkel, der sich von jenem des Wechselstromsystems um ?t /2 unterscheidet. So wird unter diesen Bedingungen der Ausgang (V₀) des Komparators gleich Null. Für plötzliche Änderungen der Phase der Eingangsspannung aus dem Wechselstromsystem wird jedoch die Frequenz und demgemäß die absolute. Phase des Oszillators zeitweilig unverändert erhalten und infolgedessen tritt eine endliche Spannung am Ausgang des Komparators auf und dieser Ausgang steuert dann den Oszillator über die Rückkopplungsschleife, die bewirkt, daß die Phase des Ausgangs zurück nach einem Winkel Y/2 relativ zu jenen des Wechselstromsystems zu gehen sucht, und zwar mit einer Zeitverzögerung, die von den Komponentenwerten des Verstärkers 21 abhängt.

Insbesondere liefert für endliche Werte der Steuerspannung V_

1 der Oszillator eine Ausgangsfrequenz f + Δ f, wobei Uf - K «V_

1
(K = Verstärkerkonstante). Da für irgendeine Frequenz in der Nähe der Nennfrequenz p0₂ - 2 TfA f folgt, daß der absolute Phasenwinkel 0₂ des Oszillatorausgangs wird:

wobei ρ der Differentialoperator d/dt ist.

Bei diesen Eingängen hat der Ausgang V. des Komparators eine

11 Nenngleichstromkomponente, die proportional K V₁V₂ cos (0J^₂) ist und dies ist die gewünschte Komponente und zwar zusammen mit einer unerwünschten Wechselstromkomponente der Frequenz 2f_Q, die leicht durch Filter entfernt werden kann.

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Die Anordnung von Filtern erhöht jedoch die Ansprechzeit der Vorrichtung und dies kann leicht in einem Dreiphasensystem dadurch vermieden werden, daß der Dreiphaseneingang getrennt, •drei Komparatoren zugeführt wird. Die anderen Eingänge dieser Komparatoren werden von einem Dreiphasenausgang des Oszillators gespeist. Durch Summierung der drei Ausgangsspannungen der Komparatoren über drei gleiche Widerstände ergeben sich dann im ausgeglichenen Zustand Weehselstromausgänge der Komparatoren, die sich gegenseitig auslöschen, so daß die resultierende Ausgangsspannung V₀ durch die Gleichstromkomponenten allein gegeben ist. Weitere Einzelheiten dieser Anordnung ergeben sich aus der Beschreibung der erwähnten Patentanmeldung.

Als einfache Alternative kann die Meßvorrichtung 17 in einem "Impulsverdurehschnittlichungs-"Verfahren arbeiten. Hier wird ein Spannungsimpuls einer Standardbreite und Amplitude an jedem Nulldurchgang der Wechselspannung erzeugt. Diese Impulse werden dann geglättet, um eine im wesentlichen wellenfreie Gleichspannung zu erzeugen, deren Durchschnittswert proportional der Frequenz ist, wobei jeder Frequenzfehler dann durch Subtraktion von einer festen Gleichstrombezugsspannung, die eine vorbestimmte Frequenz repräsentiert, erhalten werden kann.

Die Zeitkonstante des Glättungskreises ist so gewählt, daß ein gewünschter Zeitverzögerungsausdruck der Form 1/(1 +PT₁) erlangt wird und der Rest der erforderlichen Zeitfunktion kann leicht durch Funktionsverstärker od.dgl. erhalten werden.

Eine Verminderung der Welligkeit oder ein Absinken der Glättungszeitkonstanten kann erlangt werden, indem eine höhere Betriebsfrequenz benutzt wird und daher eine höhere Zahl von Nulldurchgängen in mehr als einer Phase der Wechselspannung.

Als weitere Alternative, bei der sich eine etwas verbesserte Durchführung des Impulsverdurchschnlttlichungsverfahrens ergibt, kann eine Gleichspannung erzeugt werden, die proportional dem

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Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Wechselspannung ist, wobei der Wert der Gleichspannung unmittelbar nach jedem Nulldurchgang berichtigt wird. Durch Subtraktion einer festen Gleichspannung von dem so erzeugten Ausgang wird eine Spannung erhalten, die proportional jeder Änderung in der Periode des Wechselstromsignales gegenüber dem Nennwert ist, d.h. proportional zu d0/dt .

Bei diesem Verfahren wird die erlangte Gleichspannung im Stetigkeitszustand,wellenfrei und die Ansprechzeit, die sehr kurz ist, kann weiter vermindert werden, indem eine Messung in jener Zeitperiode zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen benachbarter Phasen in einem MehrPhasenschema durchgeführt wird und nicht nur in einer Phase.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben. Es ist jedoch klar, daß ■ zahlreiche Abwandlungen getroffen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Z.B. wurde gemäß dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel das Hilfsrückkopplungssignal an einem Punkt der Sammelschiene abgenommen, an dem die Sammelschiene angeschlossen ist; stattdessen könnte es jedoch auch an einer weiter entfernteren Sammelschiene abgenommen werden oder sogar von den Generatoren selbst. Wenn ein Frequenzfehler im eingeschwungenen Zustand von Null mit einer festen Bezugnahme erforderlich ist, kann dies durch ein Steuersignal bewirkt werden, das zusätzlich zu den beschriebenen benutzt wird, wobei dieses Signal proportional dem Integral des Prequenzfehlers ist, d.h. f/p. Diese Punktion wird dann zusätzlich zu der obenerwähnten benutzt, aber da sie allgemein eine Wirkung auf eine Langsamzeit· skala hat, wird die Dämpfwirkung nicht wesentlich beeinträchtigt

Ferner kann die Erfindung in zweckmäßiger Weise in Anlagen benutzt werden, wo die Gleichstromverbindung drei oder mehrere Klemmen aufweist, wobei die Konverter entweder in Serie oder parallelgeschaltet sind oder wo mehr als eine unabhängige Gleich·

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Stromverbindung benutzt wird. In derartigen Fällen ist das allgemeine Prinzip der Steuerung derart, daß eine der Signalkompönenten, die die Leistung irgendeines gegebenen Konverters steuert, vorzugsweise von der Wechselstromsammelschiene abgeleitet wird, an die der Konverter angeschlossen ist, da in diesem Falle die Gesamtdämpfungswirkung in einem komplexen Weehselstromsystem verbessert werden kann, wenn die Zahl der getrennten ■Verbindungspunkte für die Konvertoren ansteigt.

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Claims

Patentansprüche:

I.JSteuersystem zur Steuerung der Leistung oder des Stromes in einer Hochspannungs-Gleichstromverbindung, die zwischen zwei Wechselstromsystemen liegt,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die ein Ausgangssignal liefert, das der Anderungsfunktion des.absoluten Phasenwinkels 0 einer Wechselspannung in wenigstens einem der Wechselstromsysteme proportional ist, wobei die Xnderungsfunktion im wesentlichen von der Gestalt ist:

f(p) = K0 -PT₁Z(I + PT₁)- pT₂/(l + pT₂) — pT_n/(l + pT_n), wobei K die Verstärkerkonstante, T₁ - T_n Zeitkonstanten, ρ der Differentialoperator d/dt ist, wobei ein Steuersignalgenerator gemäß einem vorbestimmten Leistungs- oder Strombefehlssignal und gemäß dem Ausgangssignal wirksam wird, um ein Steuersignal zu erzeugen, und daß eine Steuerstufe vorgesehen ist, um einen Konverter in der Gleichstromverbindung zu steuern und gemäß dem Steuersignal der Leistung oder dem Strom eine Veränderungskomponente aufzuprägen, die proportional dieser Änderungsfunktion ist.

Steuersystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Steuersignal durch Summierung des Ausgangssignales und des Befehlssignales erlangt wird.

Steuersystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal durch Vergleich des Phasenwinkels der Wechselspannung mit dem Phasenwinkel eines Signales des Oszillators erlangt wird, welch letzterer Phasenwinkel durch ein Signal gesteuert wird, welches eine vorbestimmte Zeitfunktion des Ausgangssignals darstellt.

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4. Steuersystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erlangung des Ausgangssignals Mittel aufweist, um einen Impuls konstanter Breite und Amplitude für jeden Nulldurchgang der Wechselspannung zu erzeugen, daß Glättungsmittel vorgesehen sind, um aus den Impulsen eine der Frequenz der Wechselspannung proportionale Gleichspannung abzuleiten, und daß Mittel vorgesehen sind, um diese Gleichspannung von einer Bezugsgleichspannung zu subtrahieren, die eine vorbestimmte Frequenz repräsentiert, um das Ausgangssignal zu erlangen.

5· Steuersystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zur Erlangung des Ausgangssignals Mittel aufweist, um eine variable Gleichspannung proportional zu dem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Wechselspannung zu erhalten, und daß Mittel vorgesehen sind, um von der variablen Gleichspannung eine feste Gleichspannung zu subtrahieren, um das Ausgangssignal zu erlangen .

6. Steuersystem nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangssignal gemäß der Wechselspannung in jedem der Wechselstromsysteme erlangt wird.

7· Steuersystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Befehlssignal manuell eingestellt wird.

8. Steuersystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Wechselspannung an einem Verbindungspunkt zwischen Konverter und einem Wechselstromsystem überwacht wird.

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