DE2901263C2 - Regelung einer HGÜ-(Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungs-)-Kurzkupplung - Google Patents

Regelung einer HGÜ-(Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungs-)-Kurzkupplung

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DE2901263C2 DE2901263A DE2901263A DE2901263C2 DE 2901263 C2 DE2901263 C2 DE 2901263C2 DE 2901263 A DE2901263 A DE 2901263A DE 2901263 A DE2901263 A DE 2901263A DE 2901263 C2 DE2901263 C2 DE 2901263C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-(HGÜ)-Anlage in Ausführung einer Kurzkupplung nach dem Marginalstromverfahren.
Für eine Reihe von typischen Anwendungsmöglichkeiten bietet Gleichstrom eine echte Alternative zur konventionellen Wechselstromübertragung. Eine dieser Anwendungsmöglichkeiten stellt eine HGÜ-Netzkupplung dar, die beispielsweise au« den Brown Boveri Mitteilungen 9/78, Seite 573 bis 577 bekannt ist. Unter einer HGÜ-Kurzkupplung wird dabei eine Netzkupplung verstanden, bei der Gleich- und Wechselrichter in der gleichen Unterstation, d. h. ohne eine Gleichstrom-Freileitung, installiert sind. Eine HGÜ-Kurzkupplung kann dabei allgemein Drehstromnetze gleicher oder verschiedener Frequenzen asynchron verbinden. Es werden dadurch vorteilhaft Stabilitätsschwierigkeiten vermieden und es ist eine schnelle und genaue Regelung der Übergabeleistung und der Spannung in den angeschlossenen Drehstromnetzen möglich. Desweiteren wird die Kurzschlußleistung durch den Zusammenschluß der beiden Netze nicht erhöht.
Im allgemeinen werden HGÜ-Netzkupplungen nach dem Marginalstromverfahren mit Regelung auf minimalen Löschwinkel im Wechselrichter über den gesamten Lastbereich geregelt, um minimale Blindleistung und damit auch minimale Verluste und Oberschwingungsströme zu erhalten. Ein gegenüber dem allgemein bekannten Verfahren weiterentwickeltes Verfahren ist aus der DEOS 19 62 042 bekannt und zielt auf eine gleichzeitige Gleichstrom- und Gleichspannungsverstellung zur Blindlastbeeinflussung ab. Damit läßt sich eine Steuerung des Leistungsfaktors cos φ = const, verwirklichen.
Die bekannte Anordnung weist den Nachteil auf, daß erhebliche Anforderungen an die bereitzustellende Regeleinrichtung gestellt werden.
Aus den BBC-Nachrichten Okt./Nov. 1970, Seite 295 bis 302 sind verschiedene Regelmöglichkeiten einer
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung bekannt
Dabei wird der Transformator-Stufenschalter des Gleichrichters durch einen «-Regler beaufschlagt 'un bei langsamen stationären Zustandsänderungen im angeschlossenen Drehstromneiz den bestmöglichen Steuerwinkel einzuhalten (= Regelung des Steuerwinkelbereichs). Der Transformator-Stufenschalter des Wechselrichters wird durch einen U</-Regler beaufschlagt um bei langsamen stationären Zustandsänderungen im angeschlossenen Drehstromnetz die Nennspannung der Gleichstromleitung einzuhalten (= Regelung der Gleichspannung). Desweiteren wird der Wechselrichter mit einem konstanten, möglichst kleinen Löschwinkel γ betrieben. Um den Löschwinkel konstant zu halten, ist eine Löschwinkelregelung vorgesehen, d. h. der Löschwinkel muß gemessen und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen werden. Zur Konstanthaltung des Löschwinkels muß dann der Steuerwinkel entsprechend verändert werden.
Durch die Heranziehung der Stufenschalter zur Regelung des Steuerwinkelbereichs und der Gleichspannung werden die Stufenschalter relativ oft betätigt was einen hohen Wartungsaufwand zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil ist die aufwendige Löschwinkelmessung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer HGÜ-Anlage der eingangs genannten Art anzugeben, mit Hilfe dessen die Anforderungen an die bereitzustellende Regeleinrichtung zur Regelung des Steuerwinkelbereichs, der Gleichspannung sowie des Laststromes und an die Transformator-Stufenschalterbetätigung gegenüber den bekannten Verfahren verringert werden, wobei trotz dieser Vereinfachungen ein vorteilhaftes Regelverhalten erzielt werden soll.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß eine Ausregelung der längerdauernden Spannungsschwankungen der Drehspannungen an den Anschlußpunkten der Kurzkupplung durch ausschließlich zu diesem Zweck vorgesehene Stufenschalter der Stron^richtertransformatoren erfolgt, in Verbindung mit Steuerung des Wechselrichters auf konstanten Steuerwinkel.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung erfolgt eine Korrektur des Steuerwinkels in Abhängigkeit
von Änderungen der Drehspannung und von Änderungen des Laststromes über ein PDTI -Aufschaltungsglied. Bei Überlast wird stationär ein konstanter Löschwinkel eingestellt und bei transienten Vorgängen erfolgt eine Vergrößerung des Löschwinkels.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Stromrichterventile von Gleich- und Wechselrichter optimal in ihrer Spannungsfestigkeit ausgenutzt werden, ohne dabei überbeansprucht zu werden. Trotzdem ist ihr Schutz gewährleistet, solange keine höheren Spannungen als das y/3fache der Nennspannung auftreten, denn bei gefährlichen Überspannungen werden die Ventile durch die Ventilsteuerung gesperrt und der Strom zu Null gesteuert, wodurch die Spannungsbeanspruchung um das y^fache zurückgeht. Die Transförmatorstufenschalter werden vorteilhaft nur selten betätigt, da sie nicht zur Regelung der Steuerwinkelbereiche und der Gleichspannung herangezogen werden, deshalb können die Wartungsintervalle für die Stufenschalter im Vergleich zu laststromab-
b5 hängigen Regelprinzipien vergrößert werden. Der notwendige Stufenschalterbereich wird vorteilhaft verkleinert, da nur eine Regelaufgabe zu bewältigen ist. Desweiteren kann vorteilhaft die aufwendige Löschwinkel-
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messung entfallen, da lediglich gegebenenfalls eine Korrektur des Steuerwinkels in Abhängigkeit des Laststromes und der Drehspannung, nicht jedoch in Abhängigkeit des Löschwinkels erfolgt. Das Blindlastverhalten des Wechselrichters und des Gleichrichters wird günstig beeinflußt und zwar wird die Änderung der Blindleistung bei Absenkung der Kupplungsleistung kleiner. Hierdurch wird die Anzahl der Schalthandlungen zur Kompensation der Stromrichterblindleistung mit Hilfe schaltbarer Kondensatoren verringert Dies ist im Hinblick auf die Lebensdauer der Schalter erwünscht Außerdem wird die Spannungshaltung in den angeschlossenen Drehstromnetzen bei schnellen Wirkleistungsänderungen der HG0-Kurzkupplung verbessert Weitere Vorteile sind aus der Beschreibung ersichtlich.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
In der Zeichnung ist der prinzipielle Aufbau einer HGÜ-Kurzkupplung mit ihrer zugehörigen Regelanordnung dargestellt Die HGÜ-Kurzkupplung verbindet zwei Drehstromnetze. Ein erstes Drehstromnetz 1 ist über einen ersten Stromrichter-Transformator mit Stufenschalter 2, einen ersten Stromrichter 3, eine Glättungsdrossel 4, einen zweiten Stromrichter 5 und einen zweiten Stromrichter-Transformator mit Stufenschalter 6 mit einem zweiten Drehstromnetz 7 verbunden. Da die HGÜ-Kurzkupplung für einen Energietransport in beiden Richtungen, also von Netz 1 zu Netz 7 oder vom Netz 7 zum Netz 1 geeignet sein soll, sind die Stromrichter 3 und 5 sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter einsetzbar, je nach geforderter Energierichtung. Die Stromrichter 3 und 5 werden vorzugsweise 12-pulsig ausgeführt und in geeigneter Weise mit den zugehörigen Stromrichter-Transformatoren verschaltet.
Am ersten Drehstromnetz 1 sind eine erste Kondensatorbatterie 8 sowie am zweiten Drehstromnetz 7 eine zweite Kondensatorbatterie 9 angeschlossen. An einer Tertiärwicklung des ersten Stromrichter-Transformators 2 liegt eine erste Blindleistungsmaschine (Phasenschieber) 10, sowie an einer Tertiärwicklung des zweiten Stromrichter-Transformators 6 eine zweite Blindleistungsmaschine (Phasenschieber) 11.
Die Kondensatorbatterien 8 und 9 sowie die Blindleistungsmaschinen 10 und 11 sind nicht zwingend notwendige Bauelemente der HGÜ-Kurzkupplung, sie dienen jedoch in vorteilhafter Weise zur Beeinflussung des Blindlastverhaltens der angeschlossenen Di ehstromnetze 1 und 7. Falls die HGÜ-Kurzkupplung ohne Blindleistungsmaschinen 10 und 11 ausgestattet ist. sind die zugehörigen Stromrichter-Transformatoren 2 und 6 als Zweiwickler und nicht als Dreiwickler ausgeführt.
Ein Spannungsmeßglied 12 dient zur Erfassung der Spannung U\ des Drehstromnetzes 1. Ausgangsseitig ist dieses Spannungsmeßglied 12 mit einem dem Stromrichter-Transformator 2 zugeordneten Transformatorstufenregler 13 verbunden. Eine Gittersteuerung 14 beeinflußt ausgangsseitig den ersten Stromrichter 3, eingangsseitig wird sie über ein Ablöseglied 15 von einem Grenzsteuerwinkel-Vorgabeglied 16 bzw. von einem Stromregler 17 angesteuert. Das Grenzsteuerwinkel-Vorgabeglied 16 gibt den Steuerwinkel β vor und wird durch ein PDTl-Aufschaltungsglied 18 mit einem Steuerwinkel-Änderungswert Δ /^beaufschlagt.
Dem Aufschaltungsglied 18 liegen eingangsseitig der Spannungswert U\ des Sp^nnungsmeßgliedes 12 sowie der Stromwert /<* eines Strommeßgliedes 19a zur Erfassune des Gleichstromes Id an. Das Grenzsteuerwinkel-Vorgabeglied 16 sowie das PDTl-Auf schaltungsglied 18 sind für den Stromrichter 3 einer HGÜ-Kurzkupplung nur dann notwendig, wenn der Stromrichter 3 auch als Wechselrichter arbeiten soll, d h. wenn ein Energierichtungswechsel vorgesehen ist.
Das Ausgangssignal des Strommeßgliedes 19a ist desweiteren einem Leistungsregler 20 zugeführt dem eingangsseitig ferner ein Leistungs-Sollwert ΡΜη sowie das Signal eines Spannungsmeßgliedes \9b zur Erfassung der Gleichspannung Ud zugeführt sind. Der Ausgangswert des Leistungsreglers 20 ist über eine Additionsstelle 21 dem Stromregler 17 zugeleitet-
Analog der beschriebenen Regelanordnung für den ersten Stromrichter 3 der HGÜ-Kurzkupplung weist der Stromrichter 5 eine ebenso aufgebaute Regelanordnung auf. Das Ausgangssignai eines Spannungsmeßgliedes 22 zur Erfassung der Spannung O2 des Drehstromnetzes 7 ist einem dem Stromrichter-Transformator 6 zugeordneten Transformatorstufen-Regler 23 zugeführt. Der Stromrichter 5 wird mitteis einer Gittersteuerung 24 angesteuert, der eingangsseitig über ein Ablöseglied 25 der Steuerwinkel β eines Grenzsteuerwinkel-Vorgabegliedes 26 und der Ausgangswert eines Stromreglers 27 zugeführt sind.
Das Vorgabeglied 26 wird durch den Steuerwinkel-Änderungswert Δ β eines PDTl-Aufschaltungsgliedes 28 beaufschlagt, dem eingangsseitig der Spannungswert U-i des Spannungsmeßgliedes 22 sowie der Stromwert U des Strommeßgliedes 19a anliegen.
Der Stromregler 27 empfängt über eine Additionsstelle 29 Ausgangssignale des Leistungsreglers 20. Die Additionsstellen 21 und 29 können dabei über ein Umschaltglied 30 mit einem negativen Marginalstromsignai !Marginal beaufschlagt werden. Je nach Schaltstellung des Umschaltgliedes 30 wird also wahlweise einem der beiden Stromregler 17 oder 27 ein um den Marginalstromwert /μ»/»™/verminderter Stromwert zugeleitet.
Zwischen den Stromrichter-Transformatoren 2 bzw. 6 und den ihnen jeweils zugeordneten Stromrichtern 3
+0 bzw. 5 sind Überspannungsableiter 31 bzw. 32 angeschlossen. Jedem der Ableiter 31 bzw. 32 ist jeweils eine Auswerteeinrichtung 33 bzw. 34 zugeordnet, die ausgangsseitig mit der entsprechenden Gittersteuerung 14 bzw. 24 verbunden ist.
Nach der Beschreibung der HGÜ-Kurzkupplung des Ausführungsbeispieles sowie deren Regeleinrichtung wird nachfolgend die Funktionsweise der Anordnung beschrieben.
Längerdauernde Schwankungen der Spannungen U\ bzw. Ut der Drehstromnetze 1 bzw. 7 an den Anschlußpunkten der Kurzkupplung werden durch die Spannungsmeßglieder 12 bzw. 22 erfaßt und den Transformator-Stufenreglern 13 bzw. 23 zugeleitet. Eine Ausregelung der längerdauernden Spannungsschwankungen erfolgt dann durch die Stufenschalter der Stromrichter-Transformatoren 2 bzw. 6. Im Gegensatz zu den allgemein bekannten und bisher angewandten Regelverfahren sind durch die Stufenschalter der Transformatoren keine zusätzlichen Größen, wie etwa Gleichspannung oder auch Steuerwinkelbereich zu regeln. Die Transformator-Stufenschalter werden wegen dieser alleinigen Aufgabe der Ausregelung längerdauernder Spannungsschwankungen in vorteilhafter Weise relativ selten betätigt, desweiteren kann der notwendige Stufenschalter-
b5 bereich verkleinert werden.
Beim Auftreten von gefährlichen kurzzeitigen Überspannungen werden die Ventile der Stromrichter 3 bzw. 5 durch ihre zugehörigen Gittersteuerungen 14 bzw. 24
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gesperrt und der Strom Id wird zu Null gesteuert, wodurch die Spannungsbeanspruchung um das i/3fache zurückgeht. Als Kriterium für das Vorliegen gefährlicher kurzzeitiger Überspannungen wird das Ansprechen der Überspannungsableiter 31 bzw. 32 herangezogen. Spricht einer der Überspannungsableiter 31 bzw. 32 mehrmals kurz hintereinander an, so erfolgt über die entsprechenden Auswertevorrichtungen 33 bzw. 34 ein Eingriff in die Gittersteuerungen 14 bzw. 24. Auf diese Weise werden die Ventile der Stromrichter 3 bzw. 5 gegen gefährliche kurzzeitige Überspannungen bis zum j/3fachen der Nennspannung geschützt.
Das bekannte Marginalstromverfahren (siehe hierzu beispielsweise BBC-Nachrichten, Okt/Nov. 1970, S. 295 bis 302) wird in Verbindung mit einer Steuerung des Wechselrichters auf Steuerwinkel β — const, angewendet, solange der Stromregler des Wechselrichters nicht im Eingriff ist. Die Auslegung erfolgt so, daß bei Nennbetrieb der Nennlöschwinkel erreicht wird.
Für das zu betrachtende Ausführungsbeispiel sei vorausgesetzt, daß Stromrichter 3 als Gleichrichter und Stromrichter 5 als Wechselrichter arbeiten. Für diesen Fall wird über das Umschaltglied 30 der Additionsstelle 29 ein negativer Marginalstromwert I Marginal zugeführt, der den vom Leistungsregler 20 an den Stromregler 27 vorgegebenen Stromsollwert vermindert.
Der Leistungsregler 20 ermittelt den Leistungsistwert aus dem über Strommeßglied 19a erfaßten Gleichstrom Id sowie aus der über Spannungsmeßglied 196 erfaßten Gleichspannung Ud, vergleicht diesen Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert P50/; und ermittelt daraus einen Stromsollwert. Die Erfassung des momentanen Leistungswertes kann dabei auch auf der Drehstromseite erfolgen.
Der Stromsollwert wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel unvermindert dem Stromregler 17 zugeführt. Über das Ablöseglied 15 erfolgt die Ansteuerung der Gittersteuerung 14, die die Ventile des als Gleichrichter arbeitenden Stromrichters 3 mit entsprechenden Zündimpulsen versorgt. Grenzsteuerwinkel-Vorgabeglied 16 sowie PDTI-Aufschalsungsgüed 18 bleiben bei Gleichrichterbetrieb des Stromrichters 3 außer Funktion.
Ebenfalls außer Funktion bleibt bei der dargestellten Schaltsteliung des Umschaltungsgliedes 30 der Stromregler 27 des als Wechselrichter arbeitenden Stromrichters 5. Die Ansteuerung der Ventile des Stromrichters 5 erfolgt über das Grenzwinkel-Vorgabeglied 26, das Ablöseglied 25 sowie die Gittersteuerung 24.
Das Blindlastverhalten des Wechselrichters und des Gleichrichters wird günstig beeinflußt, und zwar wird die Änderung der Blindleistung bei Absenkung der Kupplungsleistung kleiner als bei Regelung auf minimalen Löschwinkel (herkömmliches Verfahren). Hierdurch wird die Anzahl der Schalthandlungen zur Kompensation der Stromrichterblindleistung mit Hilfe schaltbarer Kondensatoren (8 bzw. 9) verringert. Dies ist im Hinblick auf die Lebensdauer der Schalter erwünscht.
Eine Beeinflussung des Blindlastverhaltens bzw. des Leistungsfaktors cos φ erfolgt beim zu betrachtenden Ausführungsbeispiel durch die Blindleistungsmaschine 11 bzw. 10 und/oder die Kondensatorbatterie 8 bzw. 9.
Um die Kurzkupplung auch bei Überlast ohne Unterschreitung des zulässigen Löschwinkels y betreiben zu können, wird eine Kennlinie β = f (I, U) vorgegeben, deren berechneter Verlauf konstanten Löschwinkel y = β —u ergibt (mit u - Überlappungswinkel). Bei transienten Vorgängen erfolgt eine Vergrößerung des Löschwinkels. Als Störgrößen sind dabei sowohl Abweichungen der Drehspannung im Wechselrichter-Netz: (im Ausführungsbeispiel U2) als auch Änderungen des Laststromes Id zu berücksichtigen. Die Kombination von beiden Störgrößen, d. h. die Aufschaltung Δ β in Abhängigkeit der Störgrößen erfolgt über ein PDTl-Aufschaltungsglied 18 bzw. 28.
Die Aufschaltung Δ β = ί(Δυ, ΔΙά) kann unter Vermeidung einer aufwendigen Rechenschaltung über nur einen Verstärker realisiert werden. Hierbei wird der an sich nichtlineare Zusammenhang von Δ β = f (Δυ) Iinearisiert. Entsprechendes gilt für den Zusammenhang Δ β = ί(ΔΙβ\ wobei die Störgröße ΔΙα als Differenz zwischen Iststrom und Nennstrom (nur positive Werte sind berücksichtigt) gewonnen wird. Durch diese Aufschaltung über das PDTl-Aufschaltungsglied wird auch die gewünschte stationäre Kennlinie/? = f(Id) bei Überlast erreicht. Die Übersteuerung beim Anstieg des Stromes trägt wesentlich zur Stabilisierung des Betriebes (= Vermeidung von Kippungen) bei.
Auch bei starken Einbrüchen der Drehspannung: bei vorangegangenem Nennbetrieb kann ein stabiler Betrieb der Kurzkupplung nach nur ein bis zwei Kippungen erreicht werden.
Die Änderungen der Drehspannung wird für die Transformatorstufenregelung ohnehin erfaßt, so daß mit diesem Zusatz in der Aufschaltung kein Mehraufwand verbunden ist.
Ein PDTl-Glied ist beispielsweise aus W. Oppelt, »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, 5. Auflage, 1972, Verlag Chemie, Weinheim, Seite 489, bekannt.
Hierzu! Blatt Zeichnungen

Claims (4)

29 Ol 263 Patentansprüche:
1. Verfahren zur Regelung einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-(HGÜ)-Anlage in Ausführung einer Kurzkupplung nach dem Marginalstromverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausregelung der längerdauernden Spannungsschwankungen der Drehspannungen an den Anschlußpunkten der Kurzkupplung durch ausschließlich zu diesem Zweck vorgesehene Stufenschalter der Stromrichter-Transformatoren (2,6) erfolgt in Verbindung mit Steuerung des Wechselrichters auf konstanten Steuerwinkel.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß eine Korrektur des Steuerwinkels in Abhängigkeit von Änderungen der Drei'spannung und von Änderungen des Laststromes über ein PDTi-Aufschaltungsglied erfolgt
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß bei Überlast stationär ein konstanter Löschwinkel eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß bei transienten Vorgängen eine Vergrößerung des Löschwinkels erfolgt.
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