DE3213778C2 - - Google Patents

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DE3213778C2 DE19823213778 DE3213778A DE3213778C2 DE 3213778 C2 DE3213778 C2 DE 3213778C2 DE 19823213778 DE19823213778 DE 19823213778 DE 3213778 A DE3213778 A DE 3213778A DE 3213778 C2 DE3213778 C2 DE 3213778C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem Dreiphasennetz höherer Frequenz und einem Einphasennetz bzw. einer Einphasenlast niedrigerer Frequenz gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1.
Um elektrische Energie z. B. aus einem 50-Hz-Drehstromnetz bzw. 50-Hz- Drehstromgenerator in ein 162/3-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 331/3 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.
Es ist aus der DE-OS 29 39 514 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Übertragung elektrischer Energie hoher Leistung aus einem dreiphasigen Versorgungsnetz höherer Frequenz in ein einphasiges Lastnetz niedriger Frequenz bekannt, bei dem ein in Stern geschalteter und aus drei Teilumrichtern bestehender dreiphasiger Direktumrichter an das Versorgungsnetz angeschlossen ist. Zwischen Phasenausgängen des Direktumrichters ist eine Induktivität und parallel dazu zwischen zwei anderen Phasenausgängen eine Induktivität und eine Kapazität geschaltet.
Es ist ferner aus der DE-OS 27 46 588 ein Netzkupplungsumformer bekannt, der einen aus zwei Teilumrichtern aufgebauten Direktumrichter enthält. Dieser ist über induktive und kapazitive Impedanzen mit einem 162/3-Hz- Netz verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art 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 162/3-Bahnnetz, erlaubt und wobei gegenüber dem Stand der Technik eine Aufwandsverringerung an gesteuerten Stromrichtern und passiven Speicherelementen (Drosseln, Kondensatoren) ermöglicht wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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 Fig. 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 Schieflast, 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, daß die "Steinmetz-Bedingung" zur Symmetrierung einer Einphasenlast immer erfüllt ist. Danach muß zur Vermeidung von Wirkleistungspulsationen bei der Übertragung reiner Wirkleistung die im induktiven und kapazitiven Speicher pulsierende Leistung
(Index B: Einphasen-Bahnnetz)
gleich groß und gleich dem 1/fachen der übertragenden Wirkleistung sein. Diese Bedingung kann mit der erfindungsgemäßen Lösung in jedem Betriebspunkt erfüllt werden. Dazu muß wegen X L = X C (hier X K = 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 Betriebszustand 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 P 1 = P B /3 betragen, weil die beiden anderen Phasenausgänge erfindungsgemäß die Blindleistung
Q L = Q C = √ P 2 = √ P 3
und die Wirkleistung
P 2 = P 3 = 1/3 P B
liefern und die "Steinmetz-Bedingung"
erfüllt ist, wenn
P 1 = P 2 = P 3 = 1/3 P B
gilt.
Soll eine Netzkupplung neben der Wirkleistung auch noch Blindleistung an das Einphasennetz abgeben oder aus dem Einphasennetz aufnehmen, müssen bei der 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:
u 1 i 1 + u 2 i 2 + u 3 i 3 = konst.
Für sinusförmige Größen gilt:
I 1 cos (ω t + ϕ I1) · U 1 cos (ω t + ϕ U1) + I 2 cos (ω t + -ϕ I2) · U 2 cos (ω t + ϕ U2)
+I 3 cos (ω t + ϕ I3) · U 3 cos (ω t + ϕ U3) = konst.
Die Gleichungen lassen sich wie folgt umformen.
Damit die Wechselanteile verschwinden, müssen die Koeffizienten der Wechselanteile Null sein. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann ϕ U1 = 0 gesetzt werden. Zu bestimmen ist bei beliebiger Vorgabe der Größen U 1, U 2, U 3, I 2, I 3, d U2, ϕ U3, ϕ I2, ϕ I3 Betrag I 1 und Phasenlage ϕ I1 des Stromzeigers I 1, d. h. der Strom, der vom Phasenausgang (1) geliefert werden muß, damit die Wirkleistungspulsation verschwindet.
Formt man die Koeffizienten der Wechselanteile um, folgt:
U 1 I 1 cos ϕ I = - I 2 U 2 cos (ϕ U2 + ϕ I2) - I 3 U 3 cos -(ϕ U3 + ϕ I3)
U 1 I 1 sin ϕ I = - I 2 U 2 sin (ϕ U2 + ϕ I2) - I 3 U 3 -sin (ϕ U3 + ϕ I3) (1)
Das Quadrieren und Addieren ergibt:
(U₁I₁)² = (I₂U₂)² cos (d U2 + ϕ I2) + (I 3 U 3)2 cos2(ϕ U3- + ϕ I3) + (I 2 U 2)2 sin2 (ϕ U2 + ϕ I2) + (I 3 U 3)2 sin2(ϕ U3 + ϕ I3)
+ 2 I 2 U 2 I 3 U 3 cos(d U2 + ϕ I2) cos (ϕ U3 + ϕ I3) + 2 -I 2 U 2 I 3 U 3 sin (ϕ U2 + ϕ I2) sin (ϕ U3 + ϕ I3)
= (I 2 U 2)2 + (I 3 U 3)2 + 2 I 2 U 2 I 3 U 3 cos (ϕ U2 - -ϕ U3 + ϕ I2 - ϕ I3) (2)
Im Nennfall bei Übertragung reiner Wirkleistung gilt:
ϕ U2 = ϕ I2 = - ϕ U3 = - ϕ I3 = 60°
Daraus folgt mit Gl. (2)
(U 1 I 1)2 = (I 2 U 2)2 + (I 3 U 3)2 - I 2 U 2 · I 3 U-3
Mit
U 2 I 2 = U 3 I 3 = 1/3 P B
folgt mit der "Steinmetz-Bedingung" wie weiter oben abgeleitet:
U 1 I 1 = 1/3 P B
Für die Phasenlage ϕ I1 ergibt sich durch Division der Ausgangsgleichungen (1) in allgemeiner Form:
Im Nennfall bei reiner Wirkleistungsübertragung gilt bei
ϕ U2 + ϕ I2 = - (ϕ U3 + ϕ I3)
U 2 I 2 = U 3 I 3
und damit
tan ϕ I1 = 0
Der Strom I 1 liegt daher mit U 1 in Phase. Mit den Ergebnisgleichungen (2, 3) kann zu jeder Zeigerkombination U 2, I 2, U 3, I 3 U 1 der Strom I 1 so berechnet werden, daß keine Wirkleistungspulsation auftritt.
Die Fig. 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 162/3-Hz-Wechselstromnetz (12) ist anstelle eines üblicherweise für die frequenzuntersetzte Speisung eines Wechselstromverbrauchers vorgesehener Umrichter mit Einphasenausgang, 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 P B eine Schieflast, die normalerweise auch eine veränderliche Blindlastkomponente Q B enthält. Die Schieflast und die Blindlastkomponente können durch Einspeisung der Ströme I 2, I 3 kompensiert werden.
Die Ströme werden von den anderen beiden Teilumrichtern (8, 9) erzeugt und zusammen mit I 1 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 Grundschwingungsblindleistung und die Blindleistungspulsationen möglichst niedrig zu halten, müssen die Spannung U 1, U 2, U 3 in bestimmter Weise gesteuert werden. Im folgenden soll anhand der Zeigerdiagramme Fig. 3 bis 6 erläutert werden, welche Beträge und Phasenlagen die Strom- und Spannungszeiger 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:
P B = P N , Q B = 0, U 22, = U 32 = 0, U 1 = U B , Q L = Q C = P B /√.
Soll Wirkleistung aus dem Einphasennetz in das Dreiphasennetz geliefert werden, müssen die Richtungen der Teilströme I 1, I 2, I 3 durch Absenken der Spannungen U ₁₁, U 21, U 31 umgekehrt werden (vgl. Fig. 4 mit etwas vergrößertem Maßstab des Spannungs-Zeigerdiagramms gegenüber der Fig. 3). Dadurch ändern sich die Vorzeichen der Wirkstromanteile. Da die Phasenlagen der Spannungszeiger U 11, U 21, U 31 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:
P B = - P N ; Q B = 0
U 22 = 0; U 32 = 0
Q L = 0; Q C = 0
Im Teillastbereich müssen die Strombeträge I 2 und I 3 durch gleichmäßiges Vergrößern der Spannungszeiger U 22, U 32 gemäß Fig. 5 verkleinert werden. Dabei sollte zunächst zur Verringerung der Blindleistungspulsationen im Dreiphasennetz ein Winkel von 90° zwischen U 21 und U 22 bzw. U 31 und U 32 eingehalten werden.
Erst wenn U 22 und U 32 ihren Höchstbetrag erreicht haben, sollten die Gesamtspannung U 2 und U 3 durch Verstellen der Winkel zwischen den Teilspannungen von 90° auf 180° vergrößert werden. Das Zeigerdiagramm Fig. 5 gilt für:
P B = 0,5 P N ; Q B = 0
Werden die Spannungen U 22 und U 32 wie in Fig. 6 nicht gleich groß eingestellt, verändert sich neben dem Betrag auch die Phasenlage des Summenstromzeigers I B
I B = I 1 + I 2 + I 3.
Da sich der Zeiger U B nicht ändert, enthält I B nun eine Blindkomponente. Je nachdem, ob U 22 < U 32 oder U 32 < U 22 eingestellt wird, wird an das Einphasennetz Blindleistung abgegeben (vgl. Fig. 6) oder aus dem Netz Blindleistung aufgenommen.
Im dargestellten Fall wird induktive Blindleistung Q B = 0,43 P N und Wirkleistung P B = 0,59 P N an das Einphasennetz abgegeben. Da der Summenstromzeiger I B 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 Ausführungsbeispiel aus einer Festkondensatorbatterie 13 und einer thyristorgesteuerten Drosselspule 14 besteht.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Austausch elektrischer Energie zwischen einem Dreiphasennetz höherer Frequenz und einem Einphasennetz bzw. einer Einphasenlast niedrigerer Frequenz, mit einem am Versorgungsnetz angeschlossenen, in Stern geschalteten und aus drei Teilumrichtern bestehenden dreiphasigen Direktumrichter, wobei zur Lastsymmetrierung zwischen zwei Phasenausgängen des Direktumrichters eine Induktivität und zwischen zwei anderen Phasenausgängen eine Induktivität und eine Kapazität geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenspannungen U 1, U 2, U 3 des Direktumrichters (7 + 8 + 9) durch Reihenschaltung zweier Unmkehrstromrichter (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, daß die drei Teilumrichter (7, 8, 9) des dreiphasigen Direktumrichters im Auslegepunkt (Nennpunkt) die gleiche Wirkleistung P 1 = U 1 · I 1 = P 2 = U 2 · I 2 = U 21 · I 2 = P 3 = U 3- · I 3 = U 31 · I 3 = P B/3liefern, die beiden Reaktanzen (X L , X KC ) dem Betrag nach gleich großX KC = X C - X K = X L und insbesondere gesetzt werden, daß die Amplituden der Teilspannungen gleich der halben Ausgangsspannung U B gewählt werden und die Phasenlagen ϕ U2, ϕ U3 der Spannungszeiger U 2, U 3 bei Wirkleistungsaustausch gegenüber dem Betriebsnetzspannungszeiger U B und dem Spannungszeiger U 1 negativ gleich werden ϕ U2 = - ϕ U3.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phasenausgang (1, 2, 3) des Direktumrichters von zwei in Reihe geschalteten, folgegesteuerten Umkehrstromrichtern gespeist wird, deren Pulszahl möglichst groß ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blindleistungsaufnahme (-abgabe) aus (an) dem (das) Einphasennetz durch unsymmetrisches Verstellen der Spannungszeiger U 2, U 3 nach Betrag und Phasenlage erfolgt.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, 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.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einphasentransformator (10) entfällt und durch eine Einphasenwechselstromdrosselspule ersetzt wird.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, 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.
DE19823213778 1982-04-08 1982-04-08 Netzkupplung zum austausch elektrischer energie zwischen einem dreiphasennetz hoeherer frequenz und einem einphasennetz niedrigerer frequenz Granted DE3213778A1 (de)

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