DE2940530C2

DE2940530C2 - Verfahren zur elektrischen Leistungsübertragung zwischen einem Einspeisnetz und einem Verbrauchernetz

Info

Publication number: DE2940530C2
Application number: DE2940530A
Authority: DE
Inventors: Susumu Kyoto Matsumura; Masao Takarazu Hyogo Yano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-10-11
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1984-08-30
Also published as: JPS5931286B2; DE2940530A1; CH651971A5; US4307442A; JPS5553133A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Leistungsübertragung zwischen einem Einspeisnetz "id einem Verbrauch-^rnetz mittels eines leistungsgestet, ten Umrichters, mit Gleichrichter, Gleichstrom-Zwischenkreis und Wechselrichter, mit Einrichtungen zur Blindleistungsabgabe wie es aus »Technische Mitteilungen« AEG-Telefunken, 67 (1977), 1, Seilen 30-34 bekannt ist

Bei diesem bekannten Verfahren wird entsprechend der am Verbrauchernetz benötigten Leistung gleichzeitig eine Wirk- und eine Blindleistung übertragen. Zur Anpassung der Blindleistung des Umrichters an die ent-'sprechende Blindleistung des Verbrauchernetztes sind für den Normalfall Kompensationskondensatoren am Ausgang des Wechselrichtt/s vorgesehen und wird der Gleichrichter über die Vertraue ierleistung und den Netzstrom des Einspeisnetzes gesteuert

Diese Art der Kompensation mit Hilfe von Kompensationskondensatoren ist relativ aufwendig. Der Wirkungsgrad ist bei diesem bekannten Verfahren mit 87% zwar gut, andererseits jedoch auch verbesserungsbedürftig.

Aus der DE-AS 25 13 !68 ist weiterhin ein Verfahren zur elektrischen Blindleistungsübertragung in einem Netz bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein indirekter, hlinHlfMstiirnyQcrpQtpiiprlpr llrnrirhlpr mit pinpm ιιησρ-c-c» — *~ ' —°~

steuerten Gleichrichter und dementsprechend auch ungesteuertem Zwischenkreis, jedoch mil einem blindleistungsgesteuerten Wechselrichter verwandt. Dieses bekannte Verfahren kann nur bei einer Arbeitsweise angewandt werden, bei der die Blindleistungskompensation des Netzes erfolgt Da es sich somit dabei um eine Netzversorgung handelt, entfällt zwangsläufig eine Wirkleistungseinspeisung über den Umrichter im Notfall.

Bei herkömmlichen elektrischen Leistungsübertragungssystemen zur Aufnahme von Wirkleistung zwiu>hi>n At*n \\a\Aon I [hAi<ti*9fttinAeIaiftiniTArt tr* Msvtcitiio. —. -. __σ—.._ο...—.—-_o~... ... . ._VN...~.

tionen sind im übrigen gleichstromseitig zwei Paare von gesonderten Umformern vom Erregertyp in Reihe geschaltet und erfolgt die Steuerung zwischen diesen Umformern durch eine Steuerung der Zündwinkel von Thyristoren. Der Leistungsfaktor dieser Umformer ist nicht sonderlich hoch, so daß während der Leistungsaufnahmeperiode etwa 60% Blindleistung, bezogen auf die Wirkleistung, eingespeist werden. Wenn die Leistungsaufnahme nicht benötigt wird, hat das System keine Wirkung auf die Encrgicüberlragungslciliing. Fig. f zeigt das Prin/.ipschallbild eines derartigen herkömmlichen Übertragungsleitungssystems. Dieses System umfaßt eine erste und eine zweite Übertragungsleitung 1, 2 sowie Umformer 3 und 4 mit Thyristorschaltungcn und eine Glättungsdrossel 5 zur Beseitigung eines Brummstromes aufgrund der Differenz der Spannungswellcnformen zwischen den Umformern 3 und 4. Bei diesem Übertragungsleitungssystem führt die Glättungsdrossel 5 auf der Gleichstromseite der Umformer 3 und 4 eine Glättung des Gleichstromes herbei, so

ίο daß ein Wechselstrom mit Rechteckwellenform erhalten wird. Die Blindleistung beträgt bei einem derc-tigen System KEIa cos a, während die Wirkleistung KEIa sin ec beträgt, wobei £f die Spannung in der Übertragungsleitung, Ia den Wechselstrom und χ den Zündwinkel des Thyristors sowie K eine Konstante bezeichnen. Diese Leistungen werden jeweils in den Umformer eingespeist. Das Verhältnis der Blindleistung zur Wirkleistung beträgt daher sin 30°/cos 30° = 0,58JaHs* 30° beträgt. Somit wird bei den herkömmlichen Übertragangs'.eilungen die Blindleistung vom System verzehrt.

Es ist daher nachteiligerweise erforderlich, eine Phaseneinstellvorrichtung mit hoher Leistungskapazität zu verwenden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe liegt daher darin, ein Verfahren mit einem Umrichter zur elektrischen Leistungsübertragung zwischen zwei Netzen der eingangs genannten Art zu schaffen, wobei Verfahren und zugehörige Vorrichtung möglichst einfach konzipiert sind, mit hchem Wirkungsgrad arbeiten und eine Blindletstungskompensation ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Gleichrichter unabhängig vom Zustand des Einspeisnetzes leistungsgesteuert wird, daß im Normalbetrieb des Umrichters nur Blindleistung vom Wechselrichter an das Verbrauchernetz abgegeben wird, und daß in einer Notsituation eine Wirkleistung vom Wechselrichter in das Verbrauchernetz eingespeist werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltdiagramm des Prinzipaufbaus eines herkömmlichen Verbundsystems für Übertragungsleitungen;

Fig.2 ein Schaltbild der Hauptschaltung des erfindungsgemäßen Systems;

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zur Erläuterung der Arbeitsweise von zugehörigen Zusatzeinrichtungen;

Fig.4 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wechselrichters vom Selbsterregertyp;

F i g. 5a ein Vektordiagramm der Relationen des Wechselrichters vom Selbsterregertyp im herkömmlichen System und

F i g. 5b, 5c und 5d Vektordiagramm der Relationen der Wechselrichter vom Selbsterregertyp bei dem erfindurtgsgemäßcn System.

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zweite Übertragungsleitung 6, 7 vorgesehen sowie ein Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer 8 und ein Wechselrichter vom Selbsterregertyp 9 und schließlich Transformatoren 10, ti. eine Wechselstromdrossel 12, welche auch durch die Streureaktanz des Transformators 11 ersetzt: sein kann, eine Strömglättungsdrossel 13 und einen Spannungs-Glätturigs-Kondensator 14. In dem durch eine strichpunktierte Linie umgebenen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer 8 sind Thyristoren Ci, Γ2. C3, C4, C5 und Ch vorgesehen. Im Wechselrichter 9 vom .Sclbsierregcrlyp. welcher ebenfalls durch eine

strichpunktierte Linie angegeben ist, sind Hauptthyristoren U, V, V/, X, Yund Z vorgesehen, sowie Hilfsthyristoren AU, AV, AW, AX, AYund AZTür das Löschen der Hauptthyristoren; sowie Dioden DU. DV, DW. DX, DYund DZfürden Nebenschluß und Kommutierungs-Kondensatoren CU, CV und CW; und in Reihe mit diesen geschaltete Drosseln IU, /Vund IW.

Der Wechselrichter 9 vom Selbsterregertyp kann eine Impulskommutierschaltung vom McMurray-Typ sein. Die in die Kondensatoren eingespeisten Ladungen für die zwangsir.äßige Kommutierung werden durch das Zünden der Hilfsthvristoren AU, A Kund A Wentladen, wobei an die Hauptthyristoren U, V, W, X, Kund Zdie Sperrspannung angelegt wird und diese somit gelöscht werden. Es ist bekannt, daß ein solcher Wechselrichter vom Selbsterregertyp ausgezeichnete Char= · !stika aufweist, da die zwangsmäßige Kümm-4iierL,;i_; durchgeführt wird, ohne daß die Leitungsimpedanz oder die Frequenz beeinträchtigt wird, und zv ar aufgrund der Wirkune der parallel zu den Haup= =ivristoren U. V. W. X, Y und Z geschalteten Dio^i DU. DV. DW. DX. DY und DZ

Die Wechselrichterschaltung ist nicht auf die in F i g. 2 gezeigte Schaltung beschränkt und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann auch durch andere sVechselrichterschaltungen vom Selbsterregeriyp und Kommutierungstyp gelöst werden.

Anhand der F i g. 3 soll nun die Arbeitsweise der einzelnen Teile des erfindungsgemäßen Systems erläutert werden. Der Wechselrichter 9 vom Selbsterregertyp umfaßt die Hilfsthyristoren für das Löschen der Hauptthyristoren, sowie die Kommutierungskondensatoren und die Drosseln, wie in F i g. 2 gezeigt Zur Vereinfachung der Darstellung sind jedoch nur die für die Erläuterung benötigten Bauelemente in F i g. 3 dargestellt In den Fig.3 und 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder sich entsprechende Bauteile.

Die Anschlüsse der zweiten Übertragungsleitung 7 sind mit R, S und T, die Anschlüsse des Transformators 11 auf der Seite der zweiten Übertragungsleitung mit Ri, Si und Tl;die Anschlüsse des Transformators 11 auf der Seite des Wechselrichters 9 vom Selbsterregertyp mit A, Bund C. Ferner ist ein Stromtransformator 15 vorgesehen, sowie ein Spannungstransformator 16. eine Schaltung 17 zur Messung der Wirkleistung, eine Schaltung 18 zur Messung der Blindleistung, ein Steuertransformator 19 zur Ermittlung der Phase der Spannung in der Übertragungsleitung; sowie Zünds"haltungen GU, GV. GW. GX, CKund GZ für die Thyristoren U. V. W. X, Yund Zin dem Wechselrichter9 vom Selbsterreger-

Der Hilfsthyristor AX für den Hauptthyristor X wird gleichzeitig mit der Zündung des Hauptthyristors U gezündet, wodurch der Hauptthyristor X gelöscht wird. Zur Vereinfachung sind diese Verhältnisse in F i g. 3 nicht berücksichtigt. In ähnlicher Weise wird der Hilfsthyristor AU für den Hauntthyristnr //plciriiypiiior mit der Zündung des Hauptthyristors X gezündet, wodurch der Hauptthyristor U gelöscht wird. Eine erste Referenzsignalschaltung 20 erzeugt ein analoges Signal sobald in einer Notsituation die Wirkleistung akkommociieri werden muß. Eine zweite Reierenzsignalschaitung 21 erzeugt ein analoges Signal, wenn im Normalzustand die Blindleistung einsetzt. Schalter 22 und 23 dienen der Umschaltung von der Notbetriebsweise in die normale Betriebsweise und umgekehrt, d.h. der Umschaltung von der Betriebsweise mit Wirkleistungsumformung in die Betriebsweise mit Blindicistungseinspcisung und umgekehrt In den Schaltern 22 und 23 sind Anschlüsse 01 und O 2 vorgesehen, weiche stets mit den beweglichen Schaltkontakten 22a, 23a verbunden sind. Anschluß Pi und P2 dienen der Verbindung im Falle der Wirkleistungsumformung und Anschlüsse Qi und Q 2 dienen der Verbindung im Falle der Blindleistungseinspeisung. Ferner sind ein angepaßter Verzweigungspunkt 24 für den Referenzwert und den gemessenen Wert der Wirkleistung vorgesehen, sowie ein Opera-'donsverstärker 25 und ein angepaßter Verzweigungspunkt 26 für den Referenzwert und den gemessenen Wert der Blindleistung sowie ein Operationsverstärker 27 und schließlich eine Funktionsschaltung 28 zur Errechnung der Gleichspannung in Abhängigkeit von der

Spannung auf der Übertragungsleitung im Falle der Wirkleistungsakkommodierung und der Phasendifferenz zwischen den Phasen der Übertragungsspannung und der Ausgangssspannung des Frequenzwandlers 9 vom Selbsterregertyp. Ferner ist eine Gleichspannungs-Detektorschaltung 29 vorgesehen, sowie ein angepaßter Verzweigungspunkt 30 für den Referenzwert und den gemessenen Wert der Gleichspannung, ein Operationsverstärker 31 und eine Zündschaltung 37 Jr das Zünden der Thyristoren des Wechselstrom-GIeicrstrom-Umformers 8. Schließlich sind Eingangssignalleitungen 33 für die Zündschaltungen GU. GV. GW, GX. GYwad GZ vorgesehen. Das Analogsignal ecder Eingangssignalleitungen 33 -'ird im folgenden anhand der Fig.4 erläutert

Das Diagramm in Fig.4 erläutert die Arbeitsweise des Wechselrichters vom Selbsterregertyp. F|g.4a zeigt die Zwischenphasenspannung der zweiten Übertragungsleitung 7. Fig.4b zeigt die Arbeitsweise der Zündschaltung GU auf dem i/-Zweig. Die Zündschaltung GUumfaßt eine Vergleichsschaltung und eine Impulsgeneratorschaltung. Die Spannung V«_ rauf der Sekundärseitc des Steuertransformators 19 und die Signalspannung erauf der Eingangblei tung 33 der Regelschleife werden verglichen. Zur Zeit i| liegt gleiche Spannung vor und nun wird das Zündsignai in den Thyristor U eingespeist

Das Zündsignal hat eine Impulsbreite von 180°, wie in F i g. 4c gezeigt. Die Einspeisung beginnt im Zeitpunkt ii, welcher um einen Phasenwinkel δ gegenüber dem Zeitpunkt _/₀ zu dem die R—T-Zwischenphasenspannung der Übertragungsleitung den Wert Null hat, voreilt. Die Impulsdiagramme d. e. f.gund h bezeichnen die Zündsignale für die Thyristoren X, V. Y. W und Z. Die Diagramme der F i g. 4i, j und k zeigen Spannungswel-

lenformen des Transformators 11 auf der Wechselrichterseite und die F i g. 41, m und η zeigen Spannungswellenformen des Transformators 11 auf der Seite der Übertragungsleitung.
Fig.41 zeigt die Zwischenphasenspannung Pi-Ti dtj Wechselrichters 9 vom Selbsterregertyp. Diese Zwischenphasenspannung eilt der Zwischenphasenspan-

senwinkel δ vor. Der Phasenwinkel kann gegenüber der Spannung auf der Übertragungsleitung eine Voreilung oder Nacheilung bedeuten, je nach der Änderung der Refercnzsignalspannung ec. welche in die Zündschaltung <7i/emgespeist wird.

F i g. 5 zeigt die Relationen des Wechselrichters vom Selbsterregertyp und der Übertragungsleitung. Das Bezugszeichen Es bezeichnet einen Vektor der Spannung in der zweiten Übertragungsleitung; Ec bezeichnet einen Vektor der Spannung, welche durch den Wechselrichter 9 vom Selbsterregertyp erzeugt wird. X bezeich-

net die Induktivität der Wechselstromdrosscl 12. / bezeichnet einen Vektor des Stroms, welcher in die /.weite Übertragungsleitung 7 eingespeist wird. Der Phasenwinkel ό ist der Vorctlungswinkcl zwischen Es und Ec und £sund firbezcichncn die Spannungsaniplitudcn der Vektoren Es und Ec.

Der Strom /, welcher in die Übertragungsleitung eingespeist wird, ergibt sich aus folgender Gleichung

(D

Kl

wobei / eine Effeklivstromkomporicritc /« und eine Blindstromkomponente // umfaßt. Letztere ergeben sich aus folgenden Formeln:

/*- ψ sin δ.

k - -y (Es-EccosS).

(2) (3)²⁰

Die Wirkleistung und die Blindleitung, welche vom Frequenzwandler vom Selbsterregcrtyp in die Übertragungsleitung eingespeist werden, sind mit P und Q bezeichnet. Sie ergeben sich aus folgenden Gleichungen:

P =

Q = ~ (Es-Ec cos δ).

F i g. 5a zeigt ein Vektordiagramm /.ar Vcranschauiichung der Bedingungen der Einspeisung der Wirklei- yt slung und der Blindleistung vom Wechselrichter 9 vom Sclbstcrregertyp in die zweite Übertragungsleitung 7. Der Verlust des Verbundsystems einschließlich des Verlustes im Wechselrichter 9 vom Sclbsierrcgcrtyp ist mit Po bezeichnet Man muß insgesamt die Wirkleistung m Po + P von der ersten Übertragungsleitung 6 in den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer 8 einspeisen.

F i g. 5b veranschaulicht den Betrieb bei dem lediglich die Wirkleistung in die zweite Übertragungsleitung 7 eingespeist wird. Zur Verwirklichung der Beziehung <?=0 muß die folgende Gleichung erfüllt sein:

Es = Ec cos A

E¹S

tan δ.

tan"

\E²sJ'

Ec =

Es

Cos δ'

Die Wcchselrichtcrausgangsspannung Ec ergibt sich aus der Expansion oder Dehnung der Zwischenphasenspannung des Umformers, welche in den F i g. 41. m und η gezeigt ist, und zwar gemäß folgender Gleichung:

Ec = K ^-Ed₁ (10)

wobei Ed die Glcichstromspannung zwischen den Klemmen des Kondensators 14 bezeichnet und wobei K das Windungszahlenvcrhältriis des Transformators 11 bezeichnet,

Der Wert A welcher sich aus Gleichung (8) ergibt, wird gemäß F i g. 3 durch die Steuereinrichtung 25 eingestellt. Das Signal des Operationsverstärkers 25 und das Spannungssignal, welches durch den Wandler 16 ermittelt wird, werden in die Funktionsichaltung 28 eingespeist, in der die Gleichung (9) errechnet wird. Die Gleichspannung wird derart geregelt daß der errechnete Wert erhalten wird. Unier dieser Bedingung wird nur die Wirkleistung Pin die zweite Übertragungsleitung 7 eingespeist Aufgrund dieser Regelung absorbiert der Wcchselstrom-Gleichstronj-Umformer 8 die Wirkleistung Po + P einschließlich des Verlustes Po des Verbundsystems aus der ersten Übertragungsleitung 6.

Die F i g. 5c und 5d veranschaulichen den Betrieb des Verbundsystems als Phaseneinsteilsystem wenn die Wirkleistung in der zweiten Übertragungsleitung 7 nicht benö'igt wird. Der Schalter 22 weist einen geerdeten Kontakt Qi auf. Die Spannung ec auf der Signalleitung 33 hat den Wert Nuii und der Vektor Ec der im Umformer 9 vom Selbsterregertyp erzeugten Spannung hat die gleiche Phase wie der Vektor Es der Spannung auf der Übertragungsleitung. Wenn Ec größer ist als £5. wie dies in Fig.5c dargestellt ist so wird der Voreifung.sphascnr.irom in die zweite Übertragungsleitung 7 eingespeist und das Verbundsystem wirkt als Drossel. Wenn für Gleichung 5J=O gilt so ist die folgende Gleichung erfüllt:

Ec - Es - 4- Q. Es

(6)

Eingesetzt in die Gleichung (4) erhält man die folgende Beziehung:

(7)

Man erkennt daß lediglich die Wirkleistung in die zweite Übertragungsleitung 7 eingespeist wird, wenn man das System so steuert, daß die Gleichungen

55

erfüllt sind.d- h. es wird nur die Leistung Pbereitgestellt weiche in der zweiten Übertragungsleitung 7 benötigt wird.

Im praktischen Betrieb wird der Regelkreis durch die Steuerelemente 26 und 27 der Fig.3 gebildet und die Gleichspannung Ed wird durch den Wechselstrom-Glcifhslrom-Umformer 8 gesteuert und die Blindleistung Q wird in die zweite Übertragungsleitung 7 eingespeist. .Somit muß lediglich die Leistung für den Verlust Po des Verbundsystems von der ersten Übertragungsleitung t eingespeist werden, derart daß die Gleichspannung Ed aufrechterhalten bleibt Eine Wirkleistung entsprechend 2 bis 3% der erforderlichen Blindleistung Q wird durch den Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer 8 eingespeist

Erfindungsgemäß ist die erste Übertragungsleitung daher mit der zweiten Übertragungsleitung über einen Wechselstrom-Gleichstrom-Umformer und einen Wechselrichter vom Selbsterregertyp verbunden. Im Normalzusland wird die Blindleistung von der ersten Übertragungsleitung in die zweite Übertragungsleitung eingespeist während in einer Notsituation die Wirkleistung von der ersten Übertragungsleitung in die zweite Übertragungsleitung eingespeist wird. Man erzielt daher einen hohen Leistungsfaktor, während der Akkommodierung der Wirkleistung und das System arbeitet während der Periode der Nicht-Akkommodierung der Leistung als PhascnslcucrsyMem für die Einspeisung

der Blindleistung, Auf diese Weise erzielt man ein äußerst effektives System.

Wenn ein übermäßiger Strom fließt, so kann dieser übermäßige Strom herabgesetzt werden, und zwar durch Unterbrechung durch den Steuerelektrodenblock s des Wechselrichters vom Selbsterregertyp nach der Kommutierung des Zweigstroms durch Einschalte'./ der Hilfslhyristoren im Wechselrichter vom Selbsterregertyp sowie durch die Steuerelektrodenverschiebung Und die Steuer.'Iektrodenbiockierung des Wechselstrom- io Gleichstrom-Umformers. Die Arbeitsweise ist die gleiche bei einem Verbündsystem für Gleichstromübertragungsleitungen, wobei ein gesonderter Umformer vom Erregertyp verwendet wird. Erfindungsgemäß wird eine Erhöhung der Kurzschlußkapazität der Übertragungs- 15 leitung vermieden^

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

25

30

35

40

45

50

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Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur elektrischen Leistungsübertragung zwischen einem Einspeisnetz und einem Verbrauchernetz mittels eines leistungsgesteuerten Umrichters, mit Gleichrichter, Gleichstrom-Zwischenkreis und Wechselrichter, mit Einrichtungen zur Blindleistungsabgabe, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter unabhängig vom Zustand des Einspeisnetzes leistungsgesteuert wird, daß im Normalbetrieb des Umrichters nur Blindleistung vom Wechselrichter an das Verbrauchernetz abgegeben wird, und daß in einer Notsituation eine Wirkleistung vom Wechselrichter in das Verbrauchernetz eingespeist werden kann.