DE3230873C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur statischen Kompensation von kapazitiver oder induktiver Blindleistung, bei dem in einer Vergleichsschaltung eine Netzspannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird.

Eine herkömmliche Einrichtung zur Durchführung des oben­ genannten Verfahrens ist in der Fig. 1 dargestellt. Darin gelten folgende Bezeichnungen: 1, eine Sammel­ schiene; 2, ein Zusatztransformator; 3, eine Übertragungsleitung (die z. B. eine 500-kV-Leitung von 200 km Länge sein kann); 4, ein Generator (der z. B. ein 2500-MW-Generator sein kann); 5, ein weiterer Zusatztransformator; 6, eine Hochspannungs-Speisesammelschiene (mit 500 kV z. B.); 7, eine Zwischensammelschiene (z. B. mit 500 kV); 8 und 9, zwei parallele Energieübertragungsleitungen (die z. B. 500- kV-Leitungen von 100 km Länge sein können); 10, eine Fehlerstelle in der Energieübertragungsleitung 9; 11, 12, Schalter. Ein stationärer Blindleistungskompensator (SVC) 13 setzt sich zusammen aus einem Spannungstransformator 14, einem Kondensator 15 zum Zuführen voreilender Blindleistung, einer Drossel 16 zum Zuführen nacheilender Blindleistung und einem Thyristorschalter 17 zum Ändern der durch die Drossel 16 fließenden Stromrichtung. Ferner enthält der SVC 13 einen Transformator 18, um die Spannung am Verbindungspunkt festzustellen, eine Spannungsdetektorschaltung (Spannungsdetektor) 19, in der das Ausgangssignal des Transformators 18 in ein Analogsignal gleichgerichtet wird, eine Komparatorschaltung 21 zum Vergleichen des Analogsignals vom Spannungsdetektor 19 mit einem Bezugsspannungssignal Vref, eine Spannungssteuer-Kompensatorschaltung 22 zum Stabilisieren des Spannungssteuervorgangs innnerhalb des SVC 13 und eine Zündschaltung 23, die dem Thyristorschalter 17 Triggersignale zuführt.

Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Stellung ist folgender. Der SVC 13 ist mit der Zwischensammelschiene 7 verbunden, um den Übertragungsleitungen voreilende oder nacheilende Blindleistung zuzuführen und somit die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 zu stützen, damit unter variierenden Bedingungen die Stabilität des Versorgungsnetzes erhalten bleibt. Nimmt man an, daß der Kondensator 15 eine Blindleistungskapazität von 1000 MVAR und die Drossel 16 und der Thyristorschalter 17 eine Blindleistungskapazität von 2000 MVAR haben, so ist, da die Drossel 16 in ihrer Blindleistung im Bereich von 0 bis 2000 MVAR verstellbar ist, dem SVC 13 Blindleistung bei stetiger Größeneinstellung zwischen 1000 MVAR kapazitiv und 1000 MVAR induktiv zu führen.

Der Transformator 18 dient dazu, die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 festzustellen. Ist diese Spannung kleiner als die Bezugsspannung Vref, so führt SVC 13 kapazitive Blindleistung zu. Ist die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 höher als die Bezugsspannung Vref, so wird induktiv Blindleistung zugeführt, um an der Zwischensammelschiene 7 den Spannungswert auf dem der Bezugsspannung Vref zu halten.

Die Fig. 2 und zeigen stärker im einzelnen den Spannungssteuervorgang. Gemäß Fig. 2 ist die Drossel 16 durch den Thyristorschalter 17 abgeschaltet, und nur der Kondensator 15 ist im Intervall 0 bis A eingeschaltet, in welchem der kapazitive Blindstrom proportional zur Spannung an der Zwischensammelschiene 7 geändert wird. Während eines Intervalls von A bis B wird unter Steuerung des Thyristorschalters 17 eine Konstantspannungscharakteristik eingehalten. Im Intervall B bis C, in welchem der induktive Blindstrom sich mit der Spannung ändert, ist der Thyristorschalter 17 dann vollständig geschlossen. Die Steigung der Linie A-B ist durch die Beziehung zwischen einem Signal, welches die Abweichung zwischen der Bezugsspannung und der Spannung an der Zwischensammelschiene 7 angibt, und einem Signal, das der Zündschaltung 23 zugeführt wird, bestimmt, d. h. durch den Steuerver­ stärkungsfaktor K der Spannungssteuer-Kompensatorschaltung 22. Diese Steigung ist normalerweise so gewählt, daß die induktive Blindleistung bei einem Spannungsschwankungsbereich von 3 bis 5% sich von 0 auf 1000 MVAR ändert.

Fig. 3 zeigt in vereinfachter Weise die Beziehung zwischen dem Energiesystem und dem SVC 13. Von einem Standpunkt auf der Zwischensammelschiene 7, mit der der SVC 13 verbunden ist, läßt sich das Energiesystem als Spannungsquelle 30 mit einer Impedanz 31 betrachten, wobei die Spannungsquelle 30 und ihre Impedanz 31 zeitabhängig variabel sind. Wenn die Spannung der Spannungsquelle 30 gleich einem Wert V₀₁ und gleich der Bezugsspannung Vref ist, befindet sich der Arbeitspunkt des SVC 13 im Punkt a in Fig. 2, so daß der SVC 13 einen Ausgangswert 0 erzeugt. Sinkt die Spannung der Spannungsquelle 30 auf einen Wert V₀₂ ab, so liefert der SVC 13 kapazitive Blindleistung, und die Zwischensammelschienenspannung steigt mit einem Gradienten, der von der Impedanz 31 abhängt, gemäß Kurve 2, so daß der Arbeitspunkt des SVC 13 in den Punkt b verschoben wird, wobei die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 nahe dem Wert V₀₁ gehalten wird. Wenn die Spannung der Spannungsquelle 30 weiter auf einen Wert V₀₃ abnimmt, wird die Spannungscharakteristik des Energiesystems durch die Kurve 3 bestimmt, so daß der Betriebspunkt des SVC 13 auf den Punkt c fällt, der tiefer als der Punkt A liegt. Im Punkt c ist die Drossel 16 vollständig abgeschaltet, und der Kondensator 15 angeschaltet. Doch ist der SVC 13 nicht in der Lage, die Spannung konstant zu halten. Deshalb zeigt die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 eine Spannungsabnahme, die im wesentlichen gleich dem Spannungsabfall von V₀₂ auf V₀₃ ist.

Die Stabilität der im Energiesystem übertragenen elektrischen Energie erreicht ihre Grenze, wenn der Phasenwinkel zwischen den Spannungen am Speiseende und am Abnahmeende 90° beträgt. Bei Übertragungsleitungen über große Entfernungen ist der Phasenwinkel höchstens 30° bis 40° ohne Berücksichtigung der inneren Impedanz des Generators. Wo der Blindleistungskompensator installiert ist, um die Zwischen­ sammelschienenspannung zu stützen, beträgt der Phasenwinkel zwischen den Spannungen am Einspeiseende und an der Zwischensammelschiene bzw. der Phasenwinkel zwischen den Spannungen an der Zwischensammelschiene und dem Abnahmeende höchstens 90°, so daß der Phasenwinkel zwischen dem Einspeiseende und dem Abnahmeende etwa 90° oder mehr betragen kann, um dadurch die maximal übertragbare Leistung zu erhöhen.

Durch Stützung der Zwischensammelschienenspannung mit Hilfe des Blindleistungskompensators kann die Stabilität im transienten Zustand auf folgende Weise verbessert werden: Fig. 4 zeigt den Betrieb eines schwankenden Energieübertragungssystems, ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten, bei dem jedoch kein SVC angeschlossen ist, während Fig. 5 den Betrieb eines stabilisierten Energieübertragungssystems mit SVC an der Zwischensammelschiene darstellt. Die Fig. 4 und 5 zeigen zeitliche Spannungsschwankungen, die aufgezeichnet wurden, wenn die Schalter (Leistungsschalter) 11 und 12 vier Perioden nach Auftreten eines dreiphasigen Erdschlusses am Zwischenpunkt (Fehlerstelle) 10 der Übertragungsleitung 9 geöffnet wurden. Die Betrachtung der Fig. 4 zeigt, daß, wenn die fehlerbehaftete Übertragungsleitung 9 durch die Schalter 11 und 12 abgetrennt wird, die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 nicht schnell auf einen ruhigen Spannungswert zurückkehrt, wenn der Spannungseinbruch auf der Übertragungsleitung 9 wieder vergrößert wird. Die durch den Generator 4 dem Energieübertragungssystem zugeführte Leistung ist deswegen vermindert. Da die dem Generator 4 zugeführte mechanische Eingangsleistung sich nicht schnell ändert, stellt sich am Rotor des Generators 4 eine Beschleunigungskraft ein, wodurch der Phasenwinkel des Generators 4 zunehmend vergrößert wird. Wenn der Phasenwinkel übermäßig vorverschoben wird, wird die dem Energieübertragungssystem vom Generator 4 zugeführte elektrische Leistung bis zu dem Punkt erhöht, wo sie größer ist als die dem Generator 4 zugeführte mechanische Eingangsleistung. Der Phasenwinkel des Generators 4 beginnt sich dann zu verkleinern, und die elektrische Ausgangsleistung vom Generator 4 beginnt etwa 1 sec nach Auftreten des Kurzschlusses abzufallen. Der Phasenwinkel des Generators 4 wird dadurch mit einer Periode in der Größenordnung von 2 sec zu Schwankungen veranlaßt. Unter diesen Bedingungen können die Stabilitätsgrenzen des Systems überschritten werden, und das System kann in einen instabilen Zustand geraten, in dem der Generator 4 außer Tritt fällt.

Wenn die Spannung aufgrund eines dreiphasigen Erdschlusses einbricht, so wird gemäß Fig. 5 vom SVC 13 dem System kapazitive Blindleistung von etwa 800 MVAR zugeführt, um die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 auf einem im wesentlichen stabilen Spannungswert zu halten. Die vom Generator 4 dem System eingespeiste elektrische Leistung wird ohne Verminderung auf einem konstanten Pegel gehalten, so daß am Rotor des Generators 4 keine Beschleunigungskräfte zur Auswirkung kommen und damit der Phasenwinkel weder vergrößert noch verkleinert wird. Damit können Schwankungen im Energieübertragungssystem minimal gehalten werden. Der SVC 13 dient also dazu, die Stabilität des Systems unter transienten Bedingungen zu verbessern.

Wenn der SVC 13 im Punkt b in Fig. 2 arbeitet, hat er das System bereits mit einer kapazitiven Blindleistung versorgt, die der maximalen Kapazität nahekommt. Wenn dann im System ein Erdschluß auftritt, kann die Leistungsfähigkeit des SVC 13, die Spannung im System zu halten, überfordert sein, und die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 fällt dann auf den Punkt c ab mit der Folge, daß das System in Schwingungen gerät und instabil wird. Da die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 im stabilen Zustand sich von Zeit zu Zeit mit der Spannung des Generators 4, den Bedingungen der Übertragungsleitungen 9 und der übertragenen elektrischen Leistung ändert, kann die obengenannte Schwierigkeit auftreten, wenn die Bezugsspannung auf einen konstanten Wert V₀₁ festgesetzt wird.

Wenn nach einem so aufgebauten herkömmlichen Blindleistungskompensator ein Erdschlußfehler auf der Übertragungsleitung auftritt, während Energie übertragen wird, wobei die Spannung der Zwischensammelschiene einen Wert angenommen hat, der unter dem Bezugsspannungswert liegt, dann kann der Blindleistungskompensator die Spannung nicht mehr aufrechterhalten, und der Generator fällt außer Tritt.

Kürzlich ist ein weiteres statisches Kompensationssystem bekanntgeworden. Darin sind die beiden Systeme mit festem Kondensator und mit thyristorgeschaltetem Kondensator analysiert. Es wird ein Regelsystem vorgeschlagen, in welchem die Endleistungserzeugung des Blindleistungskompensators durch Korrektur des Spannungseinstellpunktes gesteuert wird. Die Blindleistung wird mit Bereichsgrenzen verglichen, und Schaltsignale, die geeignet verzögert sein können, werden entsprechend abgegeben. Dieses System benötigt jedoch einen Blindleistungswandler, damit dem Blindleistungsregler eine Wertanzeige gegeben werden kann, sowie weitere Komponenten, die zu einer übermäßig komplexen Steuerfunktion führen.

Aus der Siemens-Zeitschrift 51, 1977, Heft 3, Seiten 141-145, ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, wobei ein statischer Blindleistungskompensator eine Regelschaltung für die Spannungsversorgung aufweist. Von dieser Regelstrecke werden zwei Spannungen U 1 und U 2 abgeleitet.

Die bekannte Schaltungsanordnung enthält einen Spannungsdetektor, durch den die Netzspannung U 1 in eine Analogspannung U _S umgewandelt wird. Diese Analogspannung U _S wird dann sowohl einer ersten Steuerschaltung als auch einer Addierschaltung zugeführt. Die erste Steuerschaltung erzeugt ein Ausgangssignal B 1, welches zur Analogspannung U _S proportional ist. Des weiteren ist eine zweite Steuerschaltung vorgesehen, um Fehler zu kompensieren bzw. zu berichtigen, welche in der ersten Steuerschaltung auftreten. Diese zweite Steuerschaltung enthält eine sog. PI-Steuerstufe, deren Ansprechgeschwindigkeit verhältnismäßig gering, deren Steuerungsverhalten jedoch sehr genau ist.

Wenn sich nun die Netzspannung U 1 ändert, wird zunächst die erste Steuerschaltung wirksam, um das fehlerbehaftete Ausgangssignal B 1 zu erzeugen. Evtl. Fehler werden durch die Addierschaltung als Differenzsignal zwischen dem detektierten Wert der Analogspannung U _S und einem Sollwert ermittelt. Das Fehlersignal wird nun an die zweite Steuerschaltung angelegt und einer arithmetischen PI-Operation unterworfen. Das Ergebnis ist ein Signal B 2, welches dann vom Ausgangssignal B 1 subtrahiert wird, um dann den Fehler in einer weiteren Addierschaltung zu korrigieren. Diese Korrektur wird kontinuierlich ausgeführt, so daß der Fehler kompensiert wird.

Die bekannte Schaltungsanordnung weist demnach ein Paar von Steuerschaltungen auf, welche in ihrer Charakteristik entgegengesetzt sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß mit einfachen Verfahrensschritten im stationären Zustand kein Ausgangssignal abgegeben wird, während im transienten Zustand die Netzspannung zur Regelung herangezogen wird. Dabei kann für die Aufrechterhaltung der Netzspannung mit relativ kleinen Blindleistungskapazitäten gearbeitet werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Fig. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Im einzelnen zeigen in der Zeichnung

Fig. 1 das Schaltbild einer herkömmlichen stationären Blindleistungskompensation;

Fig. 2 und 3 Darstellungen, die die Arbeitscharakteristik der bekannten Blindleistungskompensationseinrichtung wiedergeben;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm der Betriebseigenschaften in einem instabilen System ohne statische Blindleistungskompensation;

Fig. 5 ein Diagramm der Betriebseigenschaften eines stationären Systems mit statischer Blindleistungskompensation;

Fig. 6 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen statischen Blindleistungskompensators;

Fig. 7 das Diagramm der charakteristischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen statischen Blindleistungskompensators und

Fig. 8 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen statischen Blindleistungskompensators.

Anhand der Fig. 6 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dabei sind die unverändert gegenüber der Fig. 1 erhaltenen Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Von der herkömmlichen Anordnung unterscheidet sich die erfindungsgemäße Ausführung durch die Verwendung eines parallel angeordneten Filters 32, das eine Schaltung mit einer Zeitverzögerung der ersten Ordnung aufweist, deren Zeitkonstante in der Größenordnung von etwa 10 sec liegt. Aufgrund der Zeitkonstanten des parallel liegenden Filters 32 schwankt seine Ausgangsgröße nicht, wenn Spannungsschwankungen mit einer Dauer von etwa 1 sec auftreten, was die Schwankungsprobleme in den Energiesystemen bedingt. Aus diesem Grunde kann das parallel angeordnete Filter 32 so betrachtet werden, als ob es in der Schaltung nicht vorhanden wäre. Der SVC 13 wirkt so, daß die Stabilität im transienten Zustand verbessert wird. Wenn die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 mit langsamer, stetiger Geschwindigkeit, abhängig von den Bedingungen des Energiesystems, sinkt, dann hebt das Ausgangssignal vom Filter 32 die Ausgangsgröße der Spannungsdetektorschaltung 19 auf. Dies bedeutet für den SVC 13, daß die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 nicht sinkt. Die vom SVC 13 erzeugte Blindleistung geht auf Null. Bei einer derartigen Anordnung dient, wenn die Spannung des Energiesystems mit einer Dauer von 10 sec oder länger ruhig schwankt, diese Spannung als Bezugswert Vref für den SVC 13.

Genauer gesagt heißt das, wenn das System stabil ist, werden die + und - Eingänge zur Vergleichsschaltung 21 spannungsmäßig gleich. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 21 ist damit Null. Treten schnelle Spannungsschwankungen auf, so tritt am Ausgang der Vergleichsschaltung 21 eine Schwankung auf. Mit langsamer Spannungsschwankung vollzieht das Filter 32 eine gleiche Schwankung, und der Ausgang der Vergleichsschaltung 21 fällt spannungsmäßig auf Null.

Fig. 7 zeigt weiter die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung. Wenn die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 den Wert V₀₁ hat (Bezugsspannung Vref), dann arbeitet der SVC 13 im Punkt a. Das Ausgangssignal des SVC 13 ist dann Null. Wenn die Spannung der Spannungsquelle 30 auf den Wert V₀₂ absinkt, verschiebt sich der Betriebspunkt vom Punkt b. Der SVC 13 führt phasenvoreilende Blindleistung zu. Während die Spannung der Spannungsquelle 30 während 10 sec oder mehr auf dem Wert V₀₂ gehalten wird, wird das Ausgangssignal des Filters 32 in der Weise wirksam, daß das Spannungsrückführsignal aufgehoben wird, so daß der SVC 13 seinen Betriebspunkt zum Punkt d verschiebt, wodurch das Ausgangssignal Null wird. Bei einer schnellen Spannungsschwankung hat dann der SVC 13 die durch die Kennlinien 0-A′-B′-C vorgegebene Charakteristik. Sinkt die Spannung der Spannungsquelle 30 auf den Wert V₀₃ ab aufgrund eines Erdschlusses im System, dann verschiebt sich der Betriebspunkt des SVC 13 zum Punkt e. Die Spannung an der Zwischensammelschiene 7 wird im wesentlichen auf dem Wert V₀₂ gehalten. Der SVC 13 verbessert also die Systemstabilität im transienten Zustand, indem er so wirkt, daß die Netzspannung im Falle schneller Spannungsschwankungen im System ungestört bleibt.

Wenn die herkömmliche Anordnung gemäß Fig. 1 dazu benützt würde, dasselbe Ergebnis wie mit der Erfindung zu erreichen, dann wäre ein SVC 13 nätig, der die Spannungsschwankungen von dem Wert V₀₁ bis zu dem Wert V₀₃ kompensieren könnte, so daß er eine ums Mehrfache größere Blindleistungskapazität haben müßte, als derjenige bei der Erfindung.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der das Filter 32 zu einer Anordnung mit herkömmlichem Aufbau gemäß Fig. 1 hinzugefügt worden ist. Mit dieser Schaltungsanordnung kann der Bezugsspannung Vref für den Steuervorgang eine Grundspannung Vref′ hinzugefügt werden. Wenn diese Steuerung nicht erforderlich ist, kann diese Grundspannung Vref′ auf Null gehalten werden.

Die Systemspannung kann auch durch einen Digitalzähler erfaßt werden und als Bezugsspannung dienen. Es kann auch eine analoge Integrierschaltung verwendet werden, um die Bezugsspannung zu erzeugen.

Bei der vorstehend beschriebenen Erfindung verwendet ein Verfahren der statischen Blindleistungskompensation für die Erhaltung der Netzspannung die Netzspannung innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls als Bezugsspannung und benötigt so einen statischen Blindleistungskompensator von relativ kleiner Blindleistungskapazität, um die Netzspannung aufrechtzuerhalten.

Claims (5)

1. Verfahren zur statischen Kompensation von kapazitiver oder induktiver Blindleistung, bei dem in einer Vergleichsschaltung eine Netzspannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung Vref bei Schwankungen der Netzspannung mit einer Periodendauer gleich oder größer als eine vorgegebene Periodendauer gleich der Netzspannung ist, und daß die Bezugsspannung Vref bei Schwankungen der Netzspannung mit einer Periodendauer kleiner als die vorgegebene Periodendauer ungleich der Netzspannung ist, so daß die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung in diesem Zustand die Zuführung der Blindleistung bewirkt, wobei zur Bildung der Bezugsspannung Vref der Vergleichsschaltung über ein Filter in einem unteren Frequenzbereich die Netzspannung unverändert zugeführt wird, während in einem oberen Frequenzbereich der Durchgang der Netzspannung durch das Filter gesperrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Filter eine Zeitverzögerung erster Ordnung bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter eine Zeitkonstante von etwa 10 sec aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung über eine Spannungssteuer-Kompensatorschaltung und eine Zündschaltung einem Thyristorschalter zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung dadurch erhalten wird, daß eine Ausgangsgröße einer Spannungsdetektorschaltung, welche die Netzspannung feststellt, an das Filter gelegt und eine Abweichung der Bezugsspannung von der Netzspannung durch die Vergleichsschaltung gewonnen wird, welcher der Ausgangswert der Spannungsdetektorschaltung als zu vergleichender Eingangswert zugeführt wird.