DE3233202C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator mit Blindwiderständen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Drehmoments periodische Änderungen der Geschwindigkeit des Rotors, so daß sich 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 ω_M bewirken eine Modulation der Generatorspannung, wodurch schmale Seitenbandkomponenten der Nominalfrequenz ω_S im elektrischen System 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 ω_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.

Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um elektrische Stromversorgungssysteme zu stabilisieren. In einem bekannten Fall wird eine dreieck-geschaltete und durch Thyristoren 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.

Für die Kompensation von Änderungen der Anschlußspannungen durch Blindwiderstände im Wechselstrom-Netzwerk ist es durch die eingangs erwähnte US-PS 41 56 176 bekannt, in Dreiecksschaltung zwischen die Phasenleitungen des Wechselstrom-Netzwerkes Blindwiderstände vorzusehen, die durch Thyristoren wahlweise in das Netzwerk eingeschaltet werden können. Zur Ansteuerung dieser Thyristoren werden Zündimpulse aus den gemessenen und durch die Blindwiderstände des Netzwerkes beeinflußten Anschlußspannungen abgeleitet, indem die gewichteten Anschlußspannungen gleichgerichtet und zusammen mit einer Bezugsspannung einem Summenintegrator zugeführt werden, um ein Differenzsignal aus der gewünschten Bezugsspannung und dem Mittelwert der gleichgerichteten sowie einander überlagerten Anschlußspannungen zu gewinnen. Die gewonnenen Differenzsignale dienen zur Ansteuerung von Zündgeneratoren, die daraus Impulse zur Steuerung des Zündwinkels der Thyristoren ableiten.

Durch die US-PS 41 25 884 ist eine Schaltung zur Feststellung von untersynchronen Stromkomponenten in Wechselstrom-Netzwerken bekannt, um daraus Maßnahmen abzuleiten, Überspannungen zu kompensieren und zulässige Stromstoßbedingungen zu schaffen.

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 durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.

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 in vorteilhafter Weise eine Spannungsregulation in Verbindung mit der Dämpfung untersynchroner Resonanzfrequenzen. Dadurch wird der Einsatz von statischen Blindleistungsgeneratoren äußerst wirtschaftlich einerseits bezüglich der anfänglichen Investitionsleistungen und andererseits 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 Blindwiderstandsgenerators zum Dämpfen von untersynchronen Resonanzfrequenzen;

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

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

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

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

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

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

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 geschaltet 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 einschaltbaren Dreiphasen-Induktivität besteht. Diese Dreiphasen-Induktivität ist über einen Abwärtstransformator 12 an die Übertragungsleitungen angeschlossen. Der Strom in der Induktivität wird durch Verzögerung der Zündimpulse bezüglich der Bezugszeit gesteuert, bei welcher die anliegende Wechselspannung 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 39 99 117 beschrieben. Die Steuersignale, welche die Triggerung des Zündimpulsgenerators 13 auslösen, werden von einer Halbperioden-Meßschaltung 15 für die positive und die negative Halbperiode und von einem Halbperioden-Bezugsgenerator 14 geliefert. Ein Fehlerimpulsgenerator 16 liefert ein Fehlersignal, welches von den Messungen der Halbperioden-Meßschaltung 15 und dem Halbperioden-Bezugsgenerator 14 abgeleitet wird. Eine Fehlerintegrationsstufe 17 liefert ein Spannungssignal, welches der Frequenz im Wechselstrom-Netzwerk proportional ist und löst die Zündung des Zündimpulsgenerators 13, von einem Ruhewert ausgehend, aus, welcher von einer Vorspannungsquelle 18 bestimmt wird.

Die Grundidee der Steueranordnung zum Dämpfen untersynchroner Resonanzfrequenzen besteht in der Ausmessung der Halbperioden für jede einzelne der drei Anschlußspannungen 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 untersynchroner Resonanzschwingungen dargestellt, wogegen die Fig. 3 und 4 die Anschlußspannungen Vab, Vbc, Vca im Nulldurchgang, die Halbperiodenimpulse P_TP(ab) für den positiv verlaufenden Nulldurchgang sowie P_TN(ab) für den negativen Nulldurchgang und entsprechend die Halbperiodenimpulse P_TP(bc), P_TN(bc), P_TP(ca) und P_TN(ca) zeigen, welche von einem Impulsgenerator (Nulldurchgangsimpuls-Generator) 19 erzeugt werden. Jeder Nulldurchgangsimpuls löst die Erzeugung von Bezugshalbperioden TP_(ab), TN_(ab), TP_(bc), TN_(bc) und TP_(ca), TN_(ca) aus, wobei jeder dieser Impulse von einem Taktgenerator 20 gemäß Fig. 2 mit hoher Frequenzgenauigkeit abgeleitet wird. Der Halbperioden-Bezugsgenerator 14 erzeugt Impulse (Halbperioden-Bezugsimpulse) R_TP(ab), P_TN(ab), R_TP(bc), R_TN(bc) und R_TP(ca), R_TN(ca). Die Zeitdifferenzen zwischen den Bezugshalbperioden und den tatsächlich durch die Halbperioden-Bezugsimpulse R_TP(ab), P_TP(ab) und R_TN(ab), P_TP(ab) sowie R_TP(bc), P_TN(bc) und R_TN(bc), P_TP(bc) und ferner R_TP(ca), P_TN(ca) und R_TN(ca), P_TP(ca) markierten tatsächlichen Halbperioden ist der Zeitfehler, der die zeitliche Änderung der Periode im eingeschwungenen Zustand repräsentiert. Diese Zeitdifferenz bzw. der Zeitfehler für eine vorbestimmte Spannung wird durch Zeitfehlerimpulse E_ab, E_bc und E_ca 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 Zeitfehlerimpulse E_ab, E_bc, E_ca erhält man eine Spannung, welche Proportional der Frequenzänderung und damit der Änderung der Rotorgeschwindigkeit ist. Diese Spannung kann gemäß Fig. 1 dazu benutzt werden, um die Zündverzögerung der Thyristoren, 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.

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 Halbperiodenimpulse P_TP(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 Halbperioden-Bezugsimpulses R_TP(ab) dargestellt, wobei der Taktgenerator 20 für eine hohe Impulsfrequenz und ein über Torschaltungen betriebener Zähler 21 Verwendung findet. Das Tor des Zählers 21 ist leitend für den Halbperiodenimpuls P_TP(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 21 stehenbleibt, bis der nächste Halbperiodenimpuls P_TP(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 Kristalloszillator Verwendung finden, der auf einer Frequenz mit einem Vielfachen der Netzfrequenz schwingt, z. B. bei 60 Hz mit 2×12 000×60=1,44 MHz. Aufgrund des Unterschieds der Genauigkeit im eingeschwungenen Zustand zwischen dem Frequenzregler des Generators und dem Kristalloszillator kann sich ein konstanter Fehler für den eingeschwungenen Zustand einstellen. Um zu verhindern, daß die Integrationsstufe zu langsam auf derartige Fehler im eingeschwungenen Zustand reagiert, kann die Gleichstromverstärkung verringert werden.

Dies kann man dadurch erreichen, daß z. B. ein einfaches T-Netzwerk aus einem Kondensator und zwei Widerständen paralllel 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 einen 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 Abwärtstransformator 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 39 99 117 beschrieben. Die Steuersignale, welche die Zündung des Zündimpulsgenerators 113 für die Dämpfung der untersynchronen Resonanzschwingungen auslösen, werden von Halbperiodenmeßschaltungen 115 und einem Halbperiodenbezugsgenerator 114 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 Zündimpulsgenerators 113 von einem Ruhewert ausgehend aus, welcher von einer Vorspannungssignalquelle 118 bestimmt wird.

Auf der rechten Seite der Darstellung gemäß Fig. 8 ist schematisch die Steueranordnung dargestellt, welche zur Regelung der Anschlußspannung Verwendung findet. Diese ist in der US-PS 41 56 176 beschrieben und erzeugt ein Fehlersignal von der Differenz der gemessenen Anschlußspannung, wie sie durch eine Spannungsmeßschaltung 122 und einer Bezugsspannung bestimmt wird. Dieses Fehlersignal wird verstärkt mit Hilfe eines Verstärkers 123 und in den Zündimpulsgenerator 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 Schalters 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 Anschlußspannung anspricht. Der elektronische Schalter wird mit Hilfe einer 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 ausgemessen und mit einer Bezugshalbperiode verglichen werden, die der unmodulierten Netzfrequenz der Anschlußspannung 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 vernachlässigbarer Zeitverzögerung aus, um daraus ein korrespondierendes Signal abzuleiten, mit welchem die Zündwinkel der Steuerthyristoren des Blindleistungsgenerators moduliert werden.

Claims (3)

1. Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator mit über einen Zündimpulsgenerator und Thyristoren zuschaltbaren Blindwiderständen, wobei zur Ansteuerung der Thyristoren Zündimpulse von aus Anschlußspannungen eines Wechselstrom-Netzwerks im Vergleich mit korrespondierenden Bezugswerten abgeleiteten und über die Zeit integrierten Fehlersignalen dienen, gekennzeichnet durch,
einen Impulsgenerator (19), an den die Anschlußspannungen (V_ab, V_bc, V_ca) angelegt werden, um daraus nulldurchgangsabhängig Halbperiodenimpulse (P_TP(ab), P_TP(bc), P_TP(ca), P_TN(ab), P_TN(bc), P_TN(ca)) abzuleiten und einem Halbperioden-Bezugsgenerator (14) zuzuführen, der zur Erzeugung von Halbperioden-Bezugsimpulsen (R_TP(ab), R_TP(bc), R_TP(ca), R_TN(ab), R_TN(bc), R_TN(ca)) in Abhängigkeit von einer der unmodulierten Netzfrequenz entsprechenden und von einem Taktfrequenzgenerator (20) gelieferten Taktfrequenz dient,
einen dem Impulsgenerator (19) und Halbperioden-Bezugsgenerator (14) nachgeschalteten Fehlerimpulsgenerator (16) zur Erzeugung von Zeitfehlerimpulsen (E_ab, E_bc, E_ca) durch logische Verknüpfung der Halbperiodenimpulse (P_TP(ab), P_TP(bc), P_TP(ca), P_TN(ab), P_TN(bc), P_TN(ca)) mit den Halbperioden- Bezugsimpulsen (R_TP(ab), R_TP(bc), R_TP(ca), R_TN(ab), R_TN(bc), R_TN(ca)), um, deren zeitlich unterschiedliches Auftreten zu ermitteln, und einer Fehlerintegrationsstufe (17), die durch Integration der Zeitfehlerimpulse (E_ab, E_bc, E_ca) eine der Frequenzänderung proportionale Spannung liefert, die, an den Zündimpulsgenerator (13) angelegt, die Zündverzögerung der Thyristoren für die Zuschaltung effektiver Induktivitäten (L) an das Wechselstrom-Netzwerk zur Dämpfung der untersynchronen Resonanzfrequenzen moduliert.

2. Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktfrequenzgenerator (20) als hochfrequenter, spannungsgeregelter Kristalloszillator mit einer Phasenregelschleife aufgebaut ist.

3. Statischer Blindleistungsgenerator und Wechselstrom-Netzwerkstabilisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpulsgenerator (13) ferner mit einem Fehlersignal von einer Steueranordnung (123, 124) ansteuerbar ist, wobei das Fehlersignal von der Differenz der von einer Spannungs-Meßschaltung (122) gemessenen jeweiligen Anschlußspannung (V_ab, V_bc, V_ca) und einer Bezugsspannung (V_ref) bestimmt ist.