DE3213778A1 - Netzkupplung zum austausch elektrischer energie zwischen einem dreiphasennetz hoeherer frequenz und einem einphasennetz niedrigerer frequenz - Google Patents

Description

• Netzkupplung zum Austausch elektrischer Energie
• zwischen einem Dreiphasennetz höherer Frequenz und einem Einphasennetz niedrigerer Frequenz Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem Dreiphasennetz höherer Frequenz und einem Einphasennetz bzw. einer Einphasenlast niedrigerer Frequenz.
• Um elektrische Energie z.B, aus einem 50-Hz-Drehstromnetz bzw. 50-Hz-Drehstromgenerator in ein 16 2/3-Bahnnetz zu übertragen, verwendet man bisher eine asynchrone Kupplung mit rotierenden Umformern.
• Zur Frequenzuntersetzung sind Umrichter entwickelt worden, die ohne Zwischenstromkreis arbeiten und durch entsprechende Zündung der Stromrichterventile geeignete zeitliche Abschnitte der Eingangsspannung herausschneiden, die an der Ausgangsseite zu der gewünschten Spannung niedrigerer Frequenz zusammengesetzt werden können. Zur Speisung von Drehstromverbrauchern sind derartige Direktumrichter mit dreiphasigem Ausgang (Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter) bekannt, die aus drei Umkehrstromrichtern bestehen, von denen jeder auf einen der Drehstromausgänge arbeitet.
• Zur Speisung eines einphasigen Wechselstromverbrauchers mit Direktumrichtern werden bisher ausschließlich Direktumrichter mit einphasigem Ausgang verwendet werden, wobei eine Frequenzuntersetzung bis etwa 2,5 möglich ist. Nachteilig ist dabei aber, daß das Einphasennetz ein unbalanciertes System darstellt. Da der Umrichter keinen Energiespeicher enthält, übertragen sich die Leistungsschwankungen in voller Höhe in das 50-Hz-Netz. Es hängt daher von der Kurzschlußleistung des 50-Hz-Netzes ab, bis zu welcher Leistung Direktumrichter verwendet werden können, und es verbot sich, an Umrichter großer Leistung (z.B.50 MVA) zu denken, wie sie in rotierenden Umformern zur asynchronen Kupplung installiert werden.
• Insbesondere im Leistungsbereich oberhalb 100 MW bedeuten die Lastschwankungen im Rhythmus der Frequenz 33 1/3 Hz einen Beitrag zur Modulationsleistung von der Größenordnung 100 MVA zur Rechtleistung, der für das 50-Hz-Netz im allgemeinen viel zu groß ist bzw. bei einer Einspeisung aus einem 50-Hz-Drehstromgenerator nur eine schlechte Ausnützung des Generators erlaubt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die bei hoher Leistung, insbesondere im Leistungsbereich oberhalb 100 MW, einen Energieaustausch zwischen einem höherfrequenten Versorgungsnetz, z.B. aus einem 50-Hz-Drehstromnetz bzw. einem 50-Hz-Drehstromgenerator und einem niederfrequenteren Einphasennetz, insbesondere ein 16 2/3-Bahnnetz, erlaubt, ohne daß die erwähnten Rückwirkungen auftreten.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
• Es zeigt die Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die Fig. 2 ein detailliert beschriebenes Ausführungsbeispiel, zu dessen Erläuterung noch vier Zeigerdiagramme, die in den Figuren 3 bis 6 dargestellt sind, dienen.
• In der Fig. 1 ist an ein Versorgungsnetz 4 ein - Stromrichtertransformatoren enthaltender - frequenzuntersetzender Direktumrichter 7,8,9 mit einem dreiphasigen Ausgang 1,2,3 angeschlossen. Zwei der drei Phasenausgänge (2,3) sind mit einem Einphasennetz 12 ( über einen Transformator 10) je über einen kapazitiven Speicher 6 und einen induktiven Speicher 5, die zur Symmetrierung und Kompensation der Schießlast, die durch das Einphasennetz hervorgerufen wird, dienen, verbunden. Der weitere Phasenausgang 1 besitzt eine direkte elektrische Verbindung mit dem Einphasennetz (über den Transformator 10).
• Die Ausgangsspannungszeiger des Direktumrichters bilden kein symmetrisches Spannungssystem. Sie werden vielmehr so gesteuert, dan die "Steinmetz-Bedingung" zur Symmetrierung einer Einphasenlast immer erfüllt ist. Danach muß zur Vermeidung von Wirkleistungspulsationen bei der Ubertragung reiner Wirkleistung die im induktiven und kapazitiven Speicher pulsierende Leistung gleich groß und gleich dem fachen der übertragenden Wirkleistung sein. Diese Bedingung kann mit der erfindungsgemäßen Lösung in jedem Betriebspunkt erfüllt werden. Dazu muß wegen XL = Xc (hier XK = 0) gelten.
• Der direkt mit dem Einphasennetz verbundene Direktumrichter-Phasenausgang, der im Falle einer Einphasenlast gleichzeitig die führende Einphasenspannung zur Verfügung stellt, kann in jedem Betriebs zustand den zur Vermeidung von Wirkleistungspulsationen im Dreiphasennetz erforderlichen Wirkleistungsanteil liefern. Im Nennpunkt liegt der Sonderfall vor, daß alle drei Phasenausgänge gleichmäßig an der Wirkleistungsübertragung beteiligt sind. Der Anteil muß dann gerade P1 = PB/3 betragen, weil die beiden anderen Phasenausgänge erfindungsgemäß die Blindleistung und die Wirkleistung P2 = P3 = 3 B liefern und die 'tSteinmetz-Bedingung" erfüllt ist, wenn P1 = P2 = P3 = 1/3 PB gilt.
• Soll eine Netzkupplung neben der Wirkleistung auch noch Blindleistung an das Einphasennetz abgeben oder aus dem Einphasennetz aufnehmen, müssen bei einer bekannten Vorrichtung nach der DE-OS 29 39 514 nach "Steinmetz" noch zusätzliche Kompensations-Blindwiderstände angeordnet werden. Bei der vorliegenden Netzkupplung ist dies nicht erforderlich. Die folgende Rechnung soll zeigen, daß es bei der vorliegenden Schaltung grundsätzlich möglich ist, die Wirkleistungspulsationen auch bei Blindleistungsabgabe (-aufnahme) an (aus) dem Einphasennetz zu beseitigen.
• Für die Augenblicksleistung im Dreiphasennetz muß in jedem Zeitpunkt gelten: u1il +u2i2 + u3i3 = konst.
• Für sinusförmige Größen gilt: I1cos(#t + #I1) # U1cos(#t + #U1) + I2cos(#t + #I2) # U2cos(#t + #U2) + I3cos(#t + #I3) # U3cos(#t + #U3) = konst.
• Die Gleichungen lassen sich wie folgt umformen.
• konst.
• + ######{cos(#U1 + #I1) # I1U1 + cos(#U2 + #I2) # I2U2 + cos(#U3+#I3) # I3U3} - sin2#t sin(+U1 + #I1) # I1U1 2 + sin(#U2 + #I2) # I2U2 + sin(#U3 + #I3) # I3U3} Damit die Wechsel anteile verschwinden, müssen die Koeffizienten der Wechsel anteile Null sein. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann #U1 = 0 gesetzt werden. Zu bestimmen ist bei beliebiger Vorgabe der Größen U1, U2, U3, I2, I3, #U2, #U3, #U3, #I2, #I3 Betrag I1 und Pha- senlage #I1 des Stromzeigers I1, d.h. der Strom, der vom Phasenausgang (1) geliefert werden muß, damit die Wirkleistungspulsation verschwindet.
• Formt man die Koeffizienten der Wechselanteile um, folgt: U1I1cos#I = -I2U2cos(#U2 + #I2) - I3U3cos(#U3 + #I3) (1) U1I1sin#I = I2U2sin(#U2 + #I2) - I3U3sin(#U3 + #I3) Das Quadrieren und Addieren ergibt: (U1I1)² = (I2U2)²cos²(#U2 + #I2) + (I3U3)²cos²(#U3 + #I3) + (I2U2)²sin²(#U2 + #I2) + (I3U3)²sin²(#U3 + #I3) + 2I2U2I3U3cos(#U2 + #I2)cos(#U3 + #I3) (2) + 2I2U2I3U3cos(#U2 + #I2)sin(#U3 + #I3) =(I2U2)²+(I3U3)²+2I2U2I3U3cos(#U2-#U3+#I2-#I3) Im Nennfall bei Ubertragung reiner Wirkleistung gilt: #U2 = #I2 = -#U3 = -#I3 = 60° Daraus folgt mit Gl. (2) (U1I1)² = (I2U2)² + (I3U3)² - I2U2 # I3U3 Mit U2I2 = U3I3 = 1/3 PB folgt mit der "Steinmetz-Bedingung" wie weiter oben abgeleitet: U I =1P 3 B Für die Phasenlage #I1 ergibt sich durch Division der Ausgangsgleichungen (1) in allgemeiner Form: Im Nennfall bei reiner Wirkleistungsübertragung gilt bei #U2 + #I2 = - (#U3 + #I3) U2I2 = U3I3 und damit tan#I1 = ° Der Strom I1 liegt daher mit U1 in Phase. Mit den Ergebnisgleichungen (2, 3) kann zu jeder Zeigerkombination U2, 12, U3, I3, U. der Strom I1 so berechnet werden, daß keine Wirkleistungspulsation auftritt.
• Die Figur 2 zeigt einen detaillierten Aufbau einer Vorrichtung nach der Erfindung. Zwischen dem dreiphasigen 50-Hz-Versorgungsnetz (4), das z.B. von einem Verbundnetz oder einem Drehstromgenerator gespeist wird, und dem 16 2/3-Hz-Wechselstromnetz (12) ist anstelle eines üblicherweise für die frequenzuntersetzte Speisung eines Wechselstromverbrauchers vorgesehene Umrichter mit Ein- phasenausgang, gemäß der Erfindung, ein Umrichter mit drei Phasenausgängen 1, 2, 3 vorgesehen. Als Umrichter wird ein Direktumrichter verwendet, der für jeden Phasenausgang aus zwei in Reihe geschalteten Teilumrichtern 71 72 bzw. 81, 82 bzw. 91, 92 besteht, die wiederum, zur Erzielung einer höherpulsigen Ausgangsspannung, vorzugsweise aus einer Reihenschaltung zweier gesteuerter, antiparallel geschalteter netzgeführter Stromrichter bestehen.
• Das Einphasennetz bzw. die Einphasenlast (12) ist über ein Glättungsfilter (11), einem Einphasentransformator (10) mit dem ersten Phasenausgang (1) des in Stern geschalteten Direktumrichters direkt, über eine Drosselspule (5) mit dem zweiten Phasenausgang (2) und über einen Kondensator (62) mit einer in Reihe geschalteten Kreisstromdrosselspule (61) mit dem dritten Phasenausgang (3) verbunden.
• Für den Teilumrichter (7) des dreiphasigen Direktumrichters bedeutet die an das Einphasennetz bzw. Einphasenlast abzugebende oder aufzunehmende Wirkleistung PB eine Schieflast, die normalerweise auch eine veränderliche Blindlastkomponente QB enthält. Die Schieflast und die Blindlastkomponente können durch Einspeisung der Ströme 12, I3 kompensiert werden.
• Die Ströme werden von den anderen beiden Teilumrichtern (8, 9) erzeugt und zusammen mit 11 in das Einphasennetz eingespeist. Der kapazitive und induktive Speicher nehmen die Wechselanteile der an das Einphasennetz abgegebenen Augenblicksleistung auf. Bei richtiger Abstimmung der drei Stromzeiger ist die dem Dreiphasennetz entnommene Augenblicksleistung bis auf Pulszahl bedingte Oberschwingungsanteile konstant.
• Um die dem Dreiphasennetz entnommene Grundschwingungs- blindleistung und die Blindleistungspulsationen möglichst niedrig zu halten, müssen die Spannung U1, U2, U3 in bestimmter Weise gesteuert werden. Im folgenden soll anhand der Zeigerdiagramme Fig. 3 bis 6 erläutert werden, welche Beträge und Phasenlagen die Strom- und Spannungs zeiger in den verschiedenen Betriebszuständen vorzugsweise einnehmen sollten.
• In Fig. 3 ist das Zeigerdiagramm für Nennwirkleistungsabgabe an das Einphasennetz dargestellt. In diesem Betriebspunkt, der mit dem Typenpunkt übereinstimmt, gilt; PB = PN, QB = 0, U22 = U32 = 0, U1 = UB Soll Wirkleistung aus dem Einphasennetz in das Dreiphasennetz geliefert werden, müssen die Richtungen der Teilströme I1, I2, I3 durch Absenken der Spannungen U11, U21, U31 umgekehrt werden (vgl. Fig 4). Dadurch ändern sich die Vorzeichen der Wirkstromanteile. Da die Phasenlagen der Spannungszeiger U11, U21, U31 unverändert bleiben und die Gleichungen (2, 3) nach wie vor erfüllt sind, kann die Energieflußrichtung umgekehrt werden, ohne daß eine Wirkleistungspulsation entsteht.
• Bei Rückspeisung der Nennwirkleistung gilt: - PN; QB = 0 0 ; 32 QL = 0 ; QC = 0 itn Teillastbereich müssen die Strombeträge I2 und I3 durch gleichmäßiges Vergrößern der Spannungszeiger U22, U32 gemäß Fig. 5 verkleinert werden. Dabei sollte zu- nächst zur Verringerung der Blindleistungspulsationen im Dreiphasennetz ein Winkel von 900 zwischen U21 und U22 bzw. U31 und U32 eingehalten werden.
• Erst wenn U22 und U32 ihren Höchstbetrag erreicht haben, sollten die Gesamtspannung U2 und U3 durch Verstellen der Winkel zwischen den Teilspannungen von 900 auf 1800 vergrößert werden.
• Das Zeigerdiagramm Fig. 5 gilt für: PB = 0,5 PN ; Q3 = 0 Werden die Spannungen U22 und U32 wie in Fig. 6 nicht gleich groß eingestellt, verändert sich neben dem Betrag auch die Phasenlage des Summenstromzeigers IB IB = I1 + I2 + I3 Da sich der Zeiger g nicht ändert, enthält 4 nun eine Blindkomponente. Je nachdem, ob U22 > U32 oder 32 U22 eingestellt wird, wird an das Einphasennetz Blindleistung abgegeben (vgl. Fig. 6) oder aus dem Netz Blindleistung aufgenommen.
• Im dargestellten Fall wird induktive Blindleistung = 0,43 PN und Wirkleistung PB = 0,59 PN an das Einphasennetz abgegeben. Da der Summenstromzeiger -1B durch entsprechende Steuerung auch in den drei anderen Quadranten liegen kann, hat die Netzkupplung, gemäß der vorliegenden Erfindung, den wesentlichen Vorteil, daß ohne Mehraufwand Rückspeisebetrieb und Kompensation des Einphasennetzes möglich ist.
• Der Direktumrichter entnimmt dem Dreiphasennetz einen Strom, der einen vom Betriebszustand abhängigen Blindanteil enthält. Der Blindstrom kann, zur Verringerung der Netzrückwirkungen, vorteilhaft mit einer dynamischen Kompensationsanlage kompensiert werden, die im Ausfihrungsbeispiel aus einer Festkondensatorbatterie 13 und einer thyristorgesteuerten Drosselspule 14 besteht.
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Claims (7)

2. Patentansprüche Vorrichtung zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem Dreiphasennetz höherer Frequenz und einem Einphasennetz bzw. einer Einphasenlast niedrigerer Frequenz, gekennzeichnet durch einen am Versorgungsnetz (4) angeschlossenen, in Stern geschalteten dreiphasigen Direktumrichter (7,8,9), dessen Phasenspannungen U1, U 2 U3 durch Reihenschaltung zweier Umkehrstromrichter (71,72; 81,82; 91,92) gebildet werden, wobei der erste Phasenausgang des Direktumrichters (1) direkt, der zweite Phasenausgang (2) über eine Drosselspule (5) und der dritte Phasenausgang (3) über eine Kreisstromdrosselspule (61) und einem in Reihe geschalteten Kondensator (62) mit einem Anschluß der Primärseite des Einphasentransformators (10) und der Sternpunkt des Direktumrichters mit dem anderen Anschluß der Primärseite dieses Transformators verbunden ist, der sekundärseitig mit dem Einphasennetz bzw. der Einphasenlast (12) gekoppelt ist. o 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, daß jeder Phasenausgang (1,2,3) des Direktumrichters von zwei in Reihe geschalteten, folgegesteuerten Umkehrstromrichtern gespeist wird, deren Pulszahl möglichst groß ist.
3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet. daß die drei Teilumrichter (7,8,9) des dreiphasigen Direktumrichters im Auslegepunkt (Nennpunkt) die gleiche Wirkleistung, P1=U1I1=P2=U2I2=U22I2=P3=U3I3=U32I3=PB/3 liefern, die beiden Reaktanzen (XLT XKC) dem Betrag nach gleich groß XKC = XC - XK = XL und insbesondere gesetzt werden, daß die Amplituden der Teilspannungen gleich der halben Ausgangsspannung UB gewählt werden U11 = U12 = U21 = U22 = U31 = U32 = U1 = U2 = U3 = UB 2 7 2 7 und die Phasenlagen #U2' U3 der Spannungszeiger U2, U3 bei Wirkleistungsaustausch gegenüber dem Betriebsnetzspannungszeiger 4 und dem Spannungs zeiger U1 negativ gleich werden.
4. #U2 = -#U3 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blindleistungsaufnahme (-abgabe) aus (an) dem (das) Einphasennetz durch unsymmetrisches Verstellen der Spannungszeiger U2, U3 nach Betrag und Phasenlage erfolgt.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindstrom des Netzkupplungsumrichters mit einer dynamischen Blindstromkompensationsanlage kompensiert wird, die z.B. aus einer Festkondensatorbatterie (13) und einer parallelgeschalteten, thyristorgesteuerten Drosselspule (14) bestehen kann.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einphasentransformator (10) entfällt und durch eine Einphasenwechselstromdrosselspule ersetzt wird.
7. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Phasenausgangs (1) mit einem Filter (11), in das die Streureaktanz des Einphasentransformators (10) mit einbezogen werden kann, geglättet wird.