DE3243701C2

DE3243701C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur dynamischen Blindleistungskompensation und Symmetrierung von unsymmetrischen Netzen und Lasten mit Stromrichtern

Info

Publication number: DE3243701C2
Application number: DE3243701A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr. 1000 Berlin Beck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-11-23
Filing date: 1982-11-23
Publication date: 1986-09-25
Also published as: DE3243701A1

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, daß die gleitende Mittelwertbildung durch den zweiten und dritten Meßumformer (51, 52) nach den Meßgleichungen

Ί-Τ/2

Q=-\ Q,dr

'-"²

erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Koordinatenwandler (6; 61, 62) nach der Transformationsvorschrift

p~ +jQ~ = (P,--Vj Q₁-) e'²°"

und die zweiten Koordinatenwandler (9; 91, 92) nach der inversen Transformationsvorschrift
Δ P, +JA Q,~ = (A P- +JA Q-) e^⁽²<"⁺¹''¹

arbeiten.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Steuergeräten der Steller (10, 10') die inversen Steuerkennlinien vorgeschaltet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dynamischen Blindleistungskompensation und Symmetricrung für ein m-Phasensystem gemäß dem Überbegriff des vorliegenden Patentanspruches 1.

Anstelle der früher üblichen Blindleistungskompensation mit rotierenden Maschinen werden heute im zunehmenden Maße Kompensationseinrichtungen mit Blindleistungsstromrichtern eingesetzt. Dabei wird dem Wechselstromsteller wegen seines einfachen Aufbaus und seines geringen Aufwandes, insbesondere bei großen

Leistungen, der Vorzug gegeben. (»Blindleistungskompensation mit Stromrichtern«, AEG-Telefunken, Leistungselektronik Sonderheft 4/1982.) Ist neben der dynamischen Blindleistungskompensation auch eine Symmetrierung von Lasten (z. B. Drehstromlichtbpgenofen) oder Netzen (z. B. Speisung von Einphasen-Bahnnetzon aus Dreiphasen-Landesnetzen) gefordert, wurden bisher nur drei einphasige Wechselstromsteller eingesetzt, weil in den einzelnen Phasen unterschiedliche Kompensationsleistungen geliefert werden müssen. Die in der Fachliteratur (Depenbrock: »Kompensation schnell veränderlicher Blindströme«, etz-A, Bd. 98 [1977], Heft 6, Seiten 408 bis 411) vorgeschlagenen einphasigen Vierquadranten-Steller werden wegen des hohen technischen Aufwandes bei großen Leistungen zur Zeit noch nicht eingesetzt.

Die bekannten Regelverfahren setzen als Stellglied drei Wechselstromsteller voraus, die von drei Steuergeräten angesteuert werden (A. Chit, W. Horn, H. Utecht: »Grenzen der dynamischen Wirkungsweise ruhender Blindleistungs-Kompensationseinrichtungen«, Techn. Mitt. AEG-Telefunken 65 (1975) Heft 6, Seiten 205 bis 210; H. Waldmann: »Verfahren und Schaltungsanordnung zur statischen Blindleistungskompensation«, DE-AS 24 14 807).

Die Steuergrößen werden dabei entweder durch phasenweise Anwendung des Steinmetz-Verfahrens oder durch Aufspaltung der Verbraucherströme in Mit- und Gegensystem gebildet. Beide Verfahren haben den Nachteil, daß durch die einphasige Ansteuerung der Wechselstromsteller die relativ große Totzeit des Stellgliedes (T, < T/2) wirksam wird.

Darüber hinaus besteht die Gefahr einer unerwünschten Verkopplung der drei Strangstrom-Regelkreise, weil eine voneinander unabhängige Verstellung der Strangströme wegen des fehlenden Mittelpunktleiters nicht möglich ist.

Es ist durch die DE-OS 29 05 986, insbesondere Patentanspruch 8, ein Verfahren zur Erzeugung und Einspeisung einer Blindleistung in einen Wechselstromkreis bekannt, bei dem die Leistungswerte im elektrischen System bestimmt werden und diese zur Bildung eines laufenden akkumulierten Leistungsintegralwertes über die Zeit integriert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das dynamische Verhalten derartiger Kompensations- und Symmetriereinrichtungen durch Beseitigung der oben genannten Nachteile zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des vorliegenden Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Das Verfahren gemäß der Erfindung beinhaltet eine neuartige Regelstrategie, die auf der von O. Mohr eingeführten Leistungsdarstellung durch Zeigerdiagramme (»Die Leistungsdarsiellung in Ein- und Mehrphasensystcmen durch Zeigerdiagramme«, etz-a, Bd. 83 [1^Q62], Seiten 253 bis 263) basiert und für sinusförmigen Verlauf von Strom und Spannung gilt.

Die Augenblicks(wirk)leistung eines Einphasennetzes (vgl. DIN 40 110, Wechselstromgrößen)

,\ = —γ- cos (¥>„|-<e,i) + cos(2<yr + p„|+p,|)

kann danach auch in komplexer Form

P_n = R_e j AA (e"" +e""»^{1 +} "·" e->²'") j

mit <P„\> Ψ,\ als Nullphasenwinkel von Spannung und Strom und φ, = φ,_η - φ_η als Phasenverschiebungswinkel der Spannung gegen den Strom geschrieben werden.

Definiert man, im Hinblick auf eine vollständige komplexe Leistungsdarstellung, die Augenblicksblindleistung mit Hilfe des Imaginärteils zu

Q_n = _/„., ji^Ä (_e./>i₊e'<c»i ⁺ (PMi_e>²'")| = Im JAA (e-'n+e"»»^»-'^'-¹"')]

so kann auch die Augenblicksscheinleistung komplex geschrieben werden.

S_n = P₁,+j Qn =5|+5,~e-'²"".

Wie von Mohr vorgeschlagen, können nun zwei Arten von komplexen Leistungszeigern definiert werden.

S, heißt nach DIN 40110 komplexe Scheinleistung und S₁- komplexe Wechselleistung.

Die Größe Sj ~ stellt in komplexer Form die der Scheinleistung Sj überlagerte, mit doppelter Frequenz schwingende Leistungspulsation dar. Die Amplitude und Phasenlage der Leistungspulsation wird durch den Leistungszeiger S₁- beschrieben.

Der Vorteil dieser Darstellung ist die problemlose Übertragbarkeit dieser Einphasendarstellung auf /M-Phascnsysteme.

Analog zu der bekannten Zeigerrechnung mit Spannungen und Strömen können nämlich die Summenscheinleistung S und Summenwechselleistung S- eines m-Phasensystems durch Addition der komplexen Einzel-Scheinlcislungen S₁,,, S,„— ermittelt werden. Es gilt

m-1

Für die Summe der Augenblicksscheinleistung gilt

in ^" — C-i- C p-/2<ur

P, +J Q,=P+jQ+(P~ +j Q-) e^²"' ·

Mit dieser Leistungsdarstellung läßt sich die Aufgabe der Blindleistungskompensation und Symmetrierung von m-Phasensystemen für stationäre Zustände eindeutig formulieren. Ein m-Phasensystem ist kompensiert und symmetrie«, wenn S. = P gilt.

Die Zusammenhänge können auch auf nichtstationäre Zustände übertragen werden, wenn Wirk- und Blindleistung durch gleitende Mittelwertbildung

/

p = 4r

;

Ö-y f O,dr

"-772

definiert werden.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Anordnungen werden an Hand der Zeichnung nachstehend näher erläutert.

In F i g. 1 ist ein Regelschema zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben; die F i g. 2 und 3 zeigen Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens. Die im Meßumformer 4 in der Fig. 1 gebildete Augenblickswirkleistung und -blindleistung (P₁, Q₁) des Netzes 1, hervorgerufen durch die Last oder das Netz 2, sind Meßgrößen, aus denen durch Subtraktion der im Meßumformer 51, 52 berechneten Wirk- und Blindleistung (P, Q) die Wechselleistungen (P,~, Q,~) ermittelt werden. Es gilt

P,~ +j Q,- = (P, -P) +J (Q₁-Q) = (P- +j Q-) β'²"'.

Multipliziert man diese Gleichung zum Zwecke der Koordinatenwandlung, die im Koordinatenwandler 6 geschieht, mit e-'²"', folgt

(P,- +/ Q₁-) e'²"' = [(P₁ -P ) +j (Q₁ - Q)] eJ ²°" = P- +j Q- .

Die transformierten Istwerte der Wechselleistungen P—, Q— können also in jedem Augenblick angegeben werden. Durch Vergleich der geglätteten Istwerte (Glättungsglied 7) mit den Sollwerten S—_w = P-„, +j Q~_w, die gleich Null gesetzt werden, entsteht eine Regelabweichung, aus der mittels eines Reglers 8 die Stellgrößen Δ S- = A P-+j A Q- gebildet werden.

Nach Rücktransformation dieser Stellgrößen im Koordinatenwandler 9 wird von der komplexen Größe die Blindkomponente A Q₁- weiterverarbeitet, weil die zur Symmetrierung erforderlichen Wechselleistungen erfindungsgemäß nicht mit Wirkwiderständen, sondern von einem Blindstromrichter 3 mit erzeugt werden sollen, der zur Blindleistungskompensation ohnehin erforderlich ist und seine Steuergröße durch das Stellsignal A Q_w vom Blindleistungsregler 81 erhält (das Signal der Blindleistung Q wird im Glättungsglied 71 geglättet, danach mit dem gleich Null gesetzten Sollwert der Netzblindleistung Q_w verglichen und die Regelabweichung dem Regler 81 zugeführt). Das Stellsignal A Q wird, mit der Blindkomponente A Q,- addiert, dem Steuergerät 10 des Blindleistungsstromrichters 3 zugeführt. Es ist aber auch möglich, beide Ausgangswerte, A Q₁- und die um 90°el vorgedrehte Wirkkomponente A P,~ zum Stellsignal A Q_w zu addieren.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in Fig. 2 dargestellte Regelkreisstruktur ist die gleiche wie in Fig. 1. Es sind auch gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Ausführlicher dargestellt sind nur die beiden Koordinatenwandler 6,9, die hieraus komplexen Multiplizierern 62,92 und einer Rechenschaltung 61 mit nachgeschaltetem Negationsglied 91 in der Verbindung zum Multiplexer 92 zur Erzeugung eines netzsynchronen sinus- und kosinusförmigen Zeitverlaufs doppelter Netzfrequenz bestehen. Anstelle der kartesischen Koordinaten können auch Polarkoordinaten angewendet werden. Mit 72,73 sind Verzögerungsglieder entsprechend dem Verzögerungsglied 7 für die hier getrennt dargestellte Regelung von Q~_w und P-,. bezeichnet; die Regler 82 und 83 entsprechen dem Regiere in Fig. I, der ja dort auch aus zwei Reglern fiir die genannten Größen besteht. Am Summenpunkt nach dem Regler81 muß noch eine zusätzliche Größe Q_r zur Einstellung der Ruhelage hinzugefügt werden.

Als Blindlcistungsstromrichter werden hie;r erfindungsgemäß ein Drehstromsteller 33, 34 und/oder drei Wechselstromsteller 32 mit drei Drosselspulen 31 in Dreieckschaltung zur Symmetrierung und Kompensation eines Orehstromlichtbogenofens 21, 22 verwendet. Die Aufteilung in zwei Stellglieder in Dreieck- und Sternschaltung führt aufgrund einer Halbierung der Totzeit zu einer weiteren Verbesserung des dynamischen Verhallens der Anlage.

Wenn eine Spannungsanpassung der Thyristoren an die Spannung des Netzes 1 erforderlich ist, können auch Streutransformatoren mit einer Stern- und Dreiecks-Sekundärwicklung verwendet werden. Der Steller hat dann echte Zwölfpuls-Eigenschaften. Dadurch verringern sich die Oberschwingungen im Stellerstrom. Anstelle der hier vorgesehenen zwei 6-Puls-Steuergeräte 10,10' mit vorgeschalteter inverser Kennlinie 11,1Γ kann dann ein 12-Puls-Steuergerät verwendet werden. Mit 35', 36' ist ein Saugkreis bezeichnet.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auch hier sind gleiche Bausteine mit gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 1 und Fig. 2 bezeichnet.

Dem Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dreiphasennetz 1, das mit einem 50-Hz-Einphasen-Bahnnetz 2 gekuppelt ist, mit Hilfe eines !Compensators 3 zu kompensieren und zu symmetrieren. Der Kompensator besteht wieder aus drei in Dreieck geschalteten Wechselstromstellern 32 mit Drosselspulen 31 und zwei Saugkreisen 35,36. Der dritte Saugkreis ist hier weggelassen, weil nur eine Einphasenlast kompensiert werden muß und zur Symmetrierung in einer Phase nur eine gestellte Drosselspule erforderlich ist.

Die Regelkreisstruktur stimmt mit der anhand der Fig. 2 beschriebenen überein.

Sinngemäß kann das beschriebene Verfahren auch dann angewendet werden, wenn das Dreiphasennetz über Direktumrichter mit Einphasenausgang mit einem 16 2/3 Hz-Bahnnetz gekuppelt ist (z. B. Lundberg: Die Stromversorgung für den elektrischen Zugbetrieb der Schwedischen Staatsbahnen (SJ), Elektrische Bahnen 46, 1975, Seiten 192 bis 200) und die vom Direktumrichter im Dreiphasennetz hervorgerufene Grundschwingungsblindleistung sowie die Wechselwirk- und Wechselblindleistung beseitigt werden soll.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur dynamischen Blindleistungskompensation und Symmetrierung für /n-Phasensysterne ohne Sternpunktleiter mit ein- und mehrphasigen Verbrauchern und einem mehrphasigen Blindleistungs-Stromrichter, bei dem die Steuergrößen für den Blindleistungs-Stromrichter aus NeJzstrom und -spannung gebildet werden, wobei die Augenblicksleistung (P,) (im folgenden analog zur eingeführten »Augenblicksblindleistung« (Q₁) »Augenblickswirkleistung« genannt) durch Multiplikation der Netzspannungen (u_{, U₂,... u_m) mit den Netzströmen (/,, /₂,... i_m) und anschließender Addition und die dazu orthogonale Augenblicksblindleistung (Q₁) durch Multiplikation der orthogonalen Netzspannungen (u_1±, u_2±,. ■ ■ u_mX) mit den Netzströmen (/,, /₂,... i„) und anschließender Summenbildung in einem ersten Meßumformer (4) gebildet, und aus der Augenblickswirk- und -blindleistung durch gleitende Mittelwertbildung die Wirkleistung (P) und die Blindleistung (Q) in einem zweiten und dritten Meßumformer (51, 52) gebildet werden,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1. es wird das Signal der Blindleistung (Q) geglättet, mit dem gleich Null gesetzten Sollwert der Netzblindleistung (Qy,) verglichen und aus der Regelabweichung mittels Regler (81) das Stellsignal für die Blindleistung (A Q) ermittelt,

2. es wird aus der Augenblickswirkleistung (P₁) durch Subtraktion der Wirkleistung (P) die Wechselwirkleistung (P, J) und aus der Augenblicksblindleistung (Q,) durch Subtraktion der Blindleistung (Q) die Wechselblindleistung (Q₁J) gebildet,

3. es werden die Zeitverläufe der durch Unsymmetrie hervorgerufenen Wechselwirkleistung (P₁J) und Wechselblindleistung (Q,^) mittels eines ersten Koordinatenwandlers (6) so transformiert, daß die Wechselkomponenten zu Gleichgrößen (Q~, P~) werden,

4. es werden die transformierten Wechselwirk- und Wechselblindleistungszeitverläufe (Q~, P~) geglättet, mit Sollwerten (Q_v,.~, P_nJ), die zur Symmetrierung des Netzes gleich Null gesetzt werden, verglichen und aus der Regelabweichung mittels zweier Regler (8) die Stellgrößen (A Q~, A P-) gebildet,

5. es werden die Ste] lgrößen (A Q~, A P~) mittels eines zweiten Koordinatenwandlers (9) mit inverser Transformationsvorschrift in das ursprüngliche Koordinatensystem zurücktransformiert und

6. es wird die Stellgröße Tür die Wechselblindleistung (A Q₁ ~) oder die Summe dieser Stellgröße und der um 90°el vorgedrehten Stellgröße die Wechselwirkleistung (AP,~) - beide Stellgrößen sind die Ausgangsgrößen des zweiten Koordinatenwandlers (9) - nach Addition mit dem Stellsignal für die Blindleistung (A Q) dem Steuergerät (10) des Blindleistungsstromrichters (3) zugeführt.