DE3233202A1 - Statischer blindleistungsgenerator und wechselstrom-netzwerkstabilisator - Google Patents

Description

Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator

Die Erfindung betrifft einen statischen Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator mit Blindwiderständen.

Aufgrund von Analysen der Stabilität von Stromversorgungssystemen ist es allgemein bekannt, daß Synchronmaschinen, welche an unbegrenzte Übertragungsleitungssysteme angeschlossen sind, unter bestimmten Bedingungen eine Schwingungsanregung erfahren. Bei turbinengetriebenen Generatoren verursachen die periodischen Änderungen des am Generator wirksamen Drehmomentes periodische Änderungen der Geschwindigkeit des Rotors, so daß sieh bei dessen Drehung Schwingungsformen überlagern. Dies führt zu periodischen Änderungen in der Spannung und der Frequenz, die an das elektrische Übertragungssystem abgegeben werden. Diese periodisch auftretenden mechanischen Drehmomentsänderungen bzw. mechanischen Resonanzfrequenzen CO ty[ bewirken eine Modulation der Generatorspannung, wodurch schmale Seitenbandkomponenten der Nominalfrequenz Ό s des elektrischen Systems entstehen. Es wurde festgestellt, daß die Einspeisung von Leistung durch eine Synchronmaschine in lange Übertragungssysteme, in welchen in Serie geschaltete Kondensatoren zur Spannungsregulierung vorgesehen sind, zu einer Resonanzfrequenz aufgrund der resultierenden Leitungsinduktivitäten führen können, die sich an die mechanische Resonanzfrequenz 6CT M anpaßt und dadurch die Rotorschwingungen wesentlich verstärkt. Dies wird auch als negative Dämpfung bezeichnet. In diesem Fall können die niederen oder untersynchronen Seitenbandkomponenten einen extrem hohen Stromfluß im elektrischen System auslösen. Dieser Strom kann magnetisch über den Luftspalt des Generators zurückgespeist werden, so daß dies zu einer weiteren Schwingungserregung des rotierenden mechanischen Teils führt und beträchtliche Schäden wie z. B. den Bruch der Generatorwelle auslösen kann.

WS341P-2531 Es sind

Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um elektrische Stromversorgungssysteme zu stabilisieren. In einem bekannten Fall wird eine dreieck-geschaltete und durch Thyristoren steuerbare Blindwiderstandsbank verwendet, in welcher der Strom entsprechend der Torsionsschwingung der sich drehenden mechanischen Teile durch eine entsprechende Steuerung des Zündwinkels der Thyristoren moduliert wird. Das Modulationssignal zur Steuerung der Thyristoren wird durch eine Messung der Geschwindigkeitsänderung der Rotorwelle ermittelt, wobei Sensorelemente mechanisch angekoppelt werden. Eine bekannte Einrichtung dieser Art benutzt ein Zahlrad, welches auf einen induktiven Geber einwirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator zu schaffen, welcher ohne mechanische Koppelelemente untersynchrone Resonanzschwingungen im Wechselstromnetzwerk feststellen und dämpfen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Frequenzüberwachungseinrichtungen zur Feststellung von untersynchronen Resonanzschwingungen im Wechselstrom-Netzwerk vorhanden sind, und daß mit den Blindwiderständen und den Frequenzüberwachungseinrichtungen Steuereinrichtungen verbunden sind, um die Blindwiderstände mit dem Wechselstrom-Netzwerk zur Dämpfung der untersynchronen Resonanzschwingungen zu verbinden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durch die Maßnahmen der Erfindung werden in vorteilhafter Weise untersynchrone Resonanzfrequenzen gedämpft, wenn solche auftreten. Die hierzu verwendeten Steuereinrichtungen umfassen Überwachungseinrichtungen zur Feststellung der Frequenz im elektrischen System und zur Überwachung der untersynchronen Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von Störungen, die durch Laständerungen, An- und Abschaltungen, pulsierende Drehmomente, Selbsterregung oder auf lange Übertragungsleitungen einwirkende Fremdleistungen entstehen. Die Maßnahmen der Erfindung liefern

WS341P-2531 in vorteilhafter

in vorteilhafter Weise eine Spannungsregulation in Verbindung mit der Dämpfung untersynchroner Resonanzschwingungen. Dadurch wird der Einsatz von statischen Blindleistungsgeneratoren äußerst wirtschaftlich einerseits bezüglich der anfänglichen Investitionsleistungen und ferner wegen der Verringerung der Betriebsverluste.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand von auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines statischen Blindwiderstandsgenerator zum Dämpfen von untersynchronen Resonanzfrequenzen;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Steueranordnung für die untersynehrone Resonanzdämpfung;

Fig. 3a bis 3d verschiedene Schwingungsformen zur Erläuterung des Betriebes der Steuereinrichtung gemäß Fig. 2 bei Frequenzen, die unterhalb der Nominalfrequenz liegen;

Fig. 4a bis 4d verschiedene Schwingungsformen zur Erläuterung des Betriebes der Steuereinrichtung gemäß Fig. 2 bei Frequenzen, welche über der Nominalfrequenz liegen;

Fig. 5a und 5b schematische Darstellungen einer Schaltung und Schwingungsformen in Verbindung mit einem Nulldurchgangsimpuls-Generator;

Fig. 6a und 6b in schematischer Darstellung eine Schaltung und Schwingungsformen eines Halbperioden-Bezugsgenerators;

Fig. 7a bis 7c in schematiseher Darstellung ein Blockschaltungsbild und Schwingungsformen eines Fehlerimpulsgenerators mit Integrationsstufe;

WS341P-2531 Fig 8 ein

Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild für einen Blindwiderstandsgenerator, der sowohl zur Regelung der Anschlußspannung als auch zur Unterdrückung von untersynchronen Resonanzfrequenzen Verwendung findet;

Fig. 9 ein schematisches Schaltbild für einen Fehlerverstärker mit Analogschalter;

Fig. 10 ein schematisches Schaltbild für eine Schalterbestätigungsstufe.

In Fig. 1 ist ein Blindwiderstandsgenerator dargestellt, der in ein elektrisches System, bestehend aus einem turbinengetriebenen Generator 10 und Übertragungsleitungen mit einem Aufwärtstransformator 11 eingeschaltet ist, wobei die Übertragungsleitungen von Undefinierter Länge sein können. Die Induktivität der Übertragungsleitungen wird teilweise durch in Serie geschaltete Kondensatoren CT kompensiert. Mit den Übertragungsleitungen ist ein statischer Blindleistungsgenerator verbunden, welcher aus einer mit Thyristoren eingeschaltbaren Dreiphasen-Induktivität besteht. Diese Dreiphasen-Induktivität ist über einen Abwärtstransformator 12 an die Übertragungsleitung angeschlossen. Der Strom in der Induktivität wird durch Verzögerung der Zündimpulse bezüglich der Bezugszeit gesteuert, bei welcher die anliegende Wechselstromspannung ein Maximum hat. Die richtige Verzögerung für die Zündimpulse wird in Abhängigkeit von einem analogen Steuersignal von einem Zündimpulsgenerator 13 geliefert. Eine mögliche Ausführungsform eines derartigen Zündimpulsgenerators ist in der US-PS 3 999 117 beschrieben. Die Steuersignale, welche die Triggerung des Zündimpulsgenerators 13 auslösen, werden von einer Halbperioden-Meßschaltung 14 für die positive und die negative Halbperiode und von Halbperioden-Bezugsgeneratoren 15 geliefert. Ein Fehlerimpulsgenerator 16 liefert ein Fehlersignal, welches von den Messungen der Halbperioden-Meßschaltung und dem Halbperioden-Bezugsgenerator abgeleistet wird. Eine Fehlerindikationsstufe 17 liefert ein Spannungssignal, welches der Frequenz im Wechselstrom-Netzwerk proportional ist und löst die Zündung des Impulsgenerators 13, von einem Ruhewert ausgehend, aus, welcher von einer Vorspannungsquelle 18 bestimmt wird.

WS341P-2531 Die Grundidee

Die Grundidee der Steueranordnung zum Dämpfen untersynchroner Resonanzfrequenzen besteht in der Ausmessung der Halbperioden für jede einzelne der drei Ansehlußspannungen und einem Vergleich dieser mit Bezugshalbperioden, welche einer unmodulierten 60-Hertz- bzw. 50-Hertz-Anschlußspannung entsprechen. In Fig. 2 ist das Blockdiagramm einer Steueranordnung für die Dämpfung untersynehroner Resonanzschwingungen dargestellt, wogegen die Fig. 3 und 4 die Nulldurchgangs-Anschlußspannungen Vab, Vbe, Vca, die Impulse Pxp(ab) für den positiv verlaufenden Nulldurchgang sowie PxN(ab) ^r ^den nagativen Nulldurchgang und entsprechend die Impulse PTP(be)> ^pTN(be)> ^pTP(ca) ^{und p}TN(ca) gezeigt, welche vom Nulldurchgangsimpuls-Generator 19 erzeugt werden. Jeder Nulldurchgangsimpuls löst die Erzeugung von Bezugshalbperioden TP(_ae), TN(_aD); TP(b_e), ^TN(bc) ^{und TP}(ca)> ^TN(ea) ^aus> ^wobei jeder dieser Impulse von einem Taktgenerator 20 gemäß Fig. 2 mit hoher Frequenzgenauigkeit abgeleitet wird. Der Halbperioden-Bezugsgenerator erzeugt Impulse RTP(ab)> ^pTN(ab); ^RTP(be)> ^RTN(bc) ^{und R}TP(ea)> ^RTN(ca)· ^Die Zeitdifferenz zwischen den Bezugshalbperioden und den tatsächlich durch die Impulse RTP(ab)> ^pTN(ab) ^{und R}TN(ab)> ^pTP(ab) sowie RTP(bc). ^pTN(bc) ^{und R}TN(bc)> ^pTP(bc) ^und ferner RTP(ca)» ^pTN(ca) ^{und R}TN(ca)> ^pTP(ca) markierten tatsächlichen Halbperioden ist der Zeitfehler, der die zeitliehe Änderung der Periode im eingeschwungenen Zustand repräsentiert. Diese Zeitdifferenz bzw. der Zeitfehler für eine vorbestimmte Spannung wird durch die Impulse E_ab, Ee_c und E_ea mit konstanter Amplitude und einer Polarität repräsentiert, welche anzeigt, ob die tatsächliche Halbperiodenzeit länger, d. h. die Generatorfrequenz ist kleiner, oder kürzer, d. h. die Generatorfrequenz ist größer (negative Polarität) als die Bezugshalbperiode gemäß den Fig. 3 und 4 ist. Durch Integration dieser Fehlerimpulse erhält man eine Spannung, welche Proportional der Frequenzänderung und damit der Änderung der Rotorgeschwindigkeit ist. Diese Spannung kann gemäß Fig. dazu benutzt werden, um die Zündverzögerung der Thyristsoren von einem Ruhewert ausgehend zu modulieren, der vom ausgangsseitigen Spannungsniveau der Vorspannungsquelle bestimmt wird, um dadurch die effektive Induktivität zur Dämpfung der untersynchronen Resonanzfrequenzen zuzuschalten.

WS341P-2531 Die Betriebsweise

Die Betriebsweise des vorgeschlagenen Regelsystems wird durch die detaillierten Funktionsdiagramme gemäß den Fig. 5, 6 und 7 weiter erläutert. Dabei zeigt Fig. 5 für die Phase AB die Ableitung der Impulse ^pTP(ab) ^{und p}TN(ab) für ^den positiven Nulldurchgang und entsprechend für den negativen Nulldurchgang der Anschlußspannung Vab unter Verwendung einer Vergleichsstufe 30.

In Fig. 6 ist die Ableitung der Bezugshalbperiode TP(_ab) und des zugehörigen Impulses RTP(ab) dargestellt, wobei ein Taktgenerator 20 für eine hohe Impulsfrequenz und ein über Torschaltungen betriebener Zähler 21 Verwendung findet. Das Tor des Zählers 21 ist leitend für den Nulldurchgangsimpuls PTP(ab)> wobei die hochfrequenten Impulse des Taktgenerators 20 ausgezählt werden, welche zu bestimmt definierten Zeitintervallen, z. B. jedem 1/12.000 Intervall einer Halbperiode bei einer Netzfrequenz von 60 Hz auftreten. Wenn der Zählerstand erreicht wird, der der Bezugshalbperiode entspricht, d. h. in unserem Beispiel der Zählerstand 12.000, wird das Gatter vom letzten Impuls geschlossen, so daß der Zähler stehenbleibt, bis der nächste Impuls PxP(ab) diesen erneut startet.

In Fig. 7 ist eine Logikschaltung dargestellt, um polarisierte Fehlerimpulse abzuleiten, die die Zeitdifferenz zwischen der Bezugshalbperiode und der gemessenen Halbperiode repräsentieren. Ebenso wird mit dieser Schaltung das Fehlerintegral abgeleitet. Dieses Fehlerintegral steht als analoge Signalspannung zur Verfügung, deren Amplitude und Polarität genau der Frequenzänderung der Anschlußspannung folgt. Für den Taktgenerator 20 kann ein hochgenauer Kristallosziallator Verwendung finden, der auf einer Frequenz mit einem Vielfachen der Netzfrequenz schwingt, z. B. bei 60 Hz mit 2 χ 12.000 χ 60 = 1,44 MHz. Aufgrund des Unterschieds der Genauigkeit im eingesehwungenen Zustand zwischen dem Frequenzregler des Generators und dem Kristalloszillator kann sich ein konstanter Fehler für den eingesehwungenen Zustand einstellen. Um zu verhindern, daß die Indikationsstufe zu langsam auf derartige Fehler im eingeschwungenen Zustand reagiert, kann die Gleichstromverstärkung verringert werden.

WS341P-2531 Dies kann

Dies kann man dadurch erreichten, daß ζ. B. ein einfaches T-Netzwerk aus einem Kondensator und zwei Widerständen parallel zum Integrationskondensator geschaltet wird, wie dies aus Fig. 7a hervorgeht. Der Taktgenerator 20 kann auch mit Hilfe einer Phasenregelschleife und einem hochfrequenten, spannungsgeregelten Oszillator verwirklicht werden. Wenn die Phasenregelschleife langsam anspricht, reagiert die Frequenz des spannungsgeregelten Oszillators auf die Hauptfrequenz der Generatorspannung und folgt nicht den untersynchronen Modulationsfrequenzen, welche durch Torsionsschwingungen des Rotors entstehen. Da die Frequenz des spannungsgeregelten Oszillators in der Phasenregelschleife exakt ein Vielfaches der Generatorfrequenz im eingeschwungenen Zustand repräsentiert, ist die vorher beschriebene Verringerung der Gleichstromverstärkung bezüglich der Fehlerintegration nicht notwendig.

In Fig. 8 ist eine Anordnung eines Blindleistungsgenerators dargestellt, der sowohl der Regelung der Anschlußspannung als auch der Dämpfung der untersynchronen Resonanzfrequenzen dient. Das elektrische System umfaßt den turbinengetriebenen Wechselstromgenerator 110, welcher über einen Aufwärtstransformator 111 ein Übertragungsnetzwerk speist. Das Übertragungsnetzwerk hat Leitungen Undefinierter Länge, deren Induktivität teilweise durch in Serie geschaltete Kondensatoren CT kompensiert wird. An die Übertragungsleitungen ist der statische Blindleistungsgenerator angeschlossen, der aus einer durch Thyristoren zuschaltbaren Dreiphaseninduktivität L und ferner Dreiphasenkondensatoren C zur Korrektur des Leistungsfaktors besteht. Dieser Blindleistungsgenerator ist über einen Aufwärtstransformator 112 an die Übertragungsleitungen angeschlossen. Der Strom in der Induktivität L wird mit Hilfe der Verzögerung der Zündimpulse in Abhängigkeit von der Bezugszeit gesteuert, zu welcher die angelegte Wechselspannung ihr Maximum durchläuft. Die richtige Verzögerung der Zündimpulse in Abhängigkeit von einem analogen Steuersignal wird von einem Zündimpulsgenerator 113 geliefert. Eine Realisierung dieses Zündimpulsgenerators ist in der US-PS 3 999 117 beschrieben. Die Steuersignale, welche die Zündung des Impulsgenerators 113 für die Dämpfung der untersynchronen Resonanzschwingungen auslösen, werden von den

WS341P-2531 Halbperiodenmeßschaltungen

Halbperiodenmeßschaltungen 114 und dem Halbperiodenbezugsgenerator abgeleitet. Ein Fehlerimpulsgenerator 116 liefert ein Fehlersignal für die beiden positiven und negativen Halbperiodenmeßschaltungen. Eine Fehlerintegrationsstufe 117 liefert ein Spannungssignal, welches der Frequenz im Wechselstromnetzwerk proportional ist und löst die Zündung des Impulsgenerators 113 von einem Ruhewert ausgehend aus, welcher von der Vorspannungssignalquelle 118 bestimmt wird.

Auf der rechten Seite der Darstellung gemäß Fig. 8 ist schematisch die Steueranordnung dargestellt, welche zur Regelung der Anschluß spannung Verwendung findet. Diese ist in der US-PS 4 156 176 beschrieben und erzeugt ein Fehlersignal von der Differenz der gemessenen Anschluß-Spannung, wie sie durch die Spannungsmeßschaltung 122 und einer Bezugsspannung bestimmt wird. Dieses Fehlersignal wird verstärkt mit Hilfe eines Verstärkers 123 und in den Zündpulsgenerator 113 eingespeist. In der vorgeschlagenen Anordnung wird der Fehlerverstärker mit Hilfe eines elektronischen Analogschalters kompensiert, der zum Rückkopplungswiderstand gemäß Fig. 9 parallel liegt. Im nicht-leitenden Zustand des Sehalters hat der Fehlerverstärker seine normale Verstärkung, die zur Regelung der Anschlußspannung benötigt wird. Im geschlossenen Zustand des Analogschalters wird die Verstärkung des Verstärkers stark verringert, so daß der ausgangsseitige Strom des Blindleistungsgenerators nicht nennenswert auf das Niveau oder die Änderungen der Anschluß spannung anspricht. Der elektronische Schalter wird mit Hilfe jeiner Schalterbetätigungsstufe 124 angesteuert, welche gleichgerichtete und ausgefilterte Werte des Eingangssignals mit einem Bezugsniveau in der Vergleichsstufe gemäß Fig. 10 vergleicht. Um wieviel auch immer das Bezugsniveau überschritten wird, die Schalterbetätigungsstufe schließt den elektronischen Schalter, um dadurch die Verstärkung des Fehlerverstärkers zu verringern.

Auf der linken Seite der Darstellung gemäß Fig. 8 ist die Regelanordnung zum Dämpfen der untersynchronen Resonanzfrequenzen gezeigt. Diese arbeitet auf der Basis, daß die Halbperioden der drei Anschlußspannungen

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ausgemessen und mit einer Bezugsheizperiode verglichen werden, die der unmodellierten Netzfrequenz der Ansehlußspannung entspricht.

Aus dem vorausstehenden sind Einrichtungen entnehmbar zum Dämpfen der untersynchronen Resonanzfrequenz, ohne daß die Geschwindigkeitsänderungen der Welle des Generators direkt ausgemessen werden müssen. Die neue Methode geht von der Messung der Frequenzänderungen der Anschlußspannungen mit vernaehlässigbarer Zeitverzögerung aus, um daraus ein korrespondierendes Signal abzuleiten, mit welchem die Zündwinkel der Steuerthyristoren des Blindleistungsgenerators modulliert werden.

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Leerseite

Claims (5)

1. Patentansprüche

   ^__1. ^Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator ! ' mit Blindwiderständen, dadurch gekennzeichnet, "" - daß Frequenzüberwachungseinrichtungen zur Feststellung von untersynchronen Resonanzschwingungen im Wechselstrom-Netzwerk vorhanden sind,

   - und daß mit den Blindwiderständen und den Frequenzüberwachungseinriehtungen Steuereinrichtungen verbunden sind, um die Blindwiderstände mit dem Wechselstrom-Netzwerk zur Dämpfung der untersynehronen Resonanzschwingungen zu verbinden.
2. 2. Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Steuereinrichtungen umfassen: einen von der Netzwerkspannung abhängigen Frequenzimpulsgenerator, einen hochfrequenten Bezugstaktgenerator, einen Fehlerimpulsgenerator, welcher auf Abweichungen des Frequenzimpulsgenerators und des Bezugstaktgenerators anspricht, eine Fehlerimpulsindikationsstufe, welche eine von der Frequenz der untersynehronen Resonanzschwingung abhängige Spannung liefert und einen Zündimpulsgenerator, der auf die Fehlerimpulsindikationsstufe anspricht, um die Zündverzögerung von Thyristoren zu modulieren, welche den Blindwiderständen zugeordnet sind und die Zusehaltung dieser Blindwiderstände zum Dämpfen der untersynehronen Resonanzfrequenzen steuern.

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3. 3. Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Bezugstaktgenerator als Kristalloszillator aufgebaut ist, welcher auf einem Vielfachen der Nominalfrequenz des Netzwerkes schwingt.
4. 4. Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Bezugstaktgenerator als hochfrequenter, spannungsgeregelter Osziallator mit einer Phasenregelschleife aufgebaut ist.
5. 5. Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator nach einem der Ansprüche Ibis4, dadurch gekennzeichnet,

   - daß Überwachungseinrichtungen vorhanden sind, um die Blindleistungsanforderungen des Wechselstromnetzwerkes festzustellen,

   - daß die Steuereinrichtungen mit den Blindwiderständen und mit den Überwachungseinrichtungen für die Blindleistungsanforderung verbunden sind, um die Blindwiderstände in das Wechselstromnetzwerk einzuschalten, in Abhängigkeit von den ermittelten Blindleistungsanforderungen,

   - und daß die Steuereinrichtungen mit den Blindwidreständen und den Frequenzüberwachungseinrichtungen verbunden sind, um die Blindwiderstände in das Wechselstromnetzwerk zur Dämpfung der untersynchronen Resonanzfrequenzen einzuschalten.

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