DE3308560A1

DE3308560A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur dynamischen blindleistungskompensation und symmetrierung von unsymmetrischen netzen und lasten mit blindleistungsstromrichtern

Info

Publication number: DE3308560A1
Application number: DE3308560A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr.-Ing. 1000 Berlin Beck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1983-03-08
Filing date: 1983-03-08
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE3308560C2; ZA841746B; IN162685B

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH
Theodor-Stern-Kai 1
D-6000 Prankfurt 70

Krn/schb B 83/4 Krn

Verfahren und Schaltungsanordnung zur dynamischen Blindleistungskompensation und Symmetrierung von unsymmetrischen Netzen und Lasten mit Blindleistungsstromrichtern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dynamischen Blindleistungskompensation und Symmetrierung für ein m-Phasensystem gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruches 1,

Anstelle der früher üblichen Blindleistungskompensation mit rotierenden Maschinen werden heute im zunehmenden Maße Kompensationseinrichtung 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-TeIefunken, Leistungselektronik Sonderheft 4/1982). Ist neben der dynamischen Blindleistungskompensation auch eine Symmetrierung von Lasten (z.B. Drehstromlichtbogenofen) oder Netzen (z.B. Speisung von Einphasen-Bahnnetzen aus Dreiphasen-Landesnetzen) gefordert, wurden bisher nur drei einphasige Wechselstromsteller eingesetzt, weil in den einzelnen Phasen unterschiedliche Kompensation leistungen geliefert werden müssen. Die in der Fachliteratür (Depenbrocki' "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 gro-

ßen 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_ti 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.

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

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

Das Verfahren gemäß der Erfindung beinhaltet eine neuartige Regelstrategie, die auf der von O. Mohr eingeführten Leistungsdarstellung durch Zeigerdiagramme ("Die Leistungsdarstellung in Ein- und Mehrphasensystemen durch

Zeigerdiagramme", etz-A, Bd. 83 (1962) Seiten 253 bis 263) basiert und für sinusförmigen Verlauf von Strom und Spannung gilt.

Die Augenblicks(wirk)leistung eines Einphasennetzes
(vgl. DIN 40110, Wechselstromgrößen)

A A.

cos ( if _ul- ^P₁₁) + cos(2cot

ul

kann danach auch in komplexer Form

. A A

♦¥i>

(1)

(2)

mity _1? ^Pj₁ als Nullphasenwinkel von Spannung und Strom und Cf₁ = y _ul - 9**1 ^a"""^{s Pnasenverscn}i^et>ungswinkel der
Spannung gegen den Strom geschrieben werden.

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

,Λ Λ /•Λ Λ

= Im

(e

-j

+ e

'ul

so .kann auch die Augenblicksscheinleistung komplex ge-. schrieben werden.

_ ρ

ti

*tl

-j2co t

(4)

Wie von Mohr vorgeschlagen, können nun zwei Arten von komplexen Leistungszeigern definiert werden.
S_-1 heißt nach DIN 40110 komplexe Scheinleistung und S₄-

komplexe Wechselleistung. >

COPY J

—— 1MM

Die Größe SL ,^ stellt in komplexer Form die der Scheinleistung £L überlagerte, mit doppelter Frequenz schwingende Leistungspulsation dar. Die Amplitude und Phasenlage der Leistungspulsätion wird durch den Leistungszeit ger S^. ^ beschrieben.

Der Vorteil dieser Darstellung ist die problemlose Übertragbarkeit dieser Einphasendarstellung auf m-Phasensysteme.

ίο ..·.■■

Analog zu der bekannten Zeigerrechnung mit Spannungen und Strömen können nämlich die Summenscheinleistung S. und Summenwechselleistung S_«*j eines m-Phasensystems durch Addition der komplexen Einzel-Scheinleistungen S , Sw ermittelt werden. Es gilt

m m

S-Γ S S - Υ S

- m=l "^' "^ iftl "^^ " ⁽⁵⁾

Für die Summe der Augenblicksscheinleistung gilt 20

S, ^β S + S »»»/ e ·

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 symmetriert, wenn S^-P gilt. (8)

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

t t

P=| J P, df; Q = |-/ Q.dT (9) ^Xt-T/2 ^ ^ ^Z

definiert werden·

"5

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

In Fig. 1 ist ein Regelschema zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben; die Fig. 2 und 3 zeigen Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die im Meßumformer 4 in der Fig. 1 gebildete Augenblicks-Wirkleistung P. - nach der Meßgleichung P = ^ui3^-i ^{+ U}23^2» ^u 1 Phasenspannungen, i, Strangströme und Augenblicksblindleistung Q, - nach der Meßgleichung Q_t ⁼γ4*[^U13 ⁽²ⁱ2 ^{+ 1}I ^J " ^U23 ⁽²ⁱl ^{+ i}2⁾l ~ ^{deS Netzes 1}J hervorgerufen durch die Last oder das Netz 2, sind Meßgroßen, aus denen durch eine gleitende Fourieranalyse, die nach den im Unteranspruch 3 angegebenen Rechenvorschriften in den Meßumformern 52,54,62,64 durchgeführt wird, die im nichtstationären Fall zeitabhängigen Fourierkoeffizienten der Spektralanteile der Leistungszeitverläufe gebildet werden. Dazu wird in einem Oszillator 51 ein Vektor F_ = (cos kcot, sin kcot, ...) mit netzsynchronen Kosinus- und Sinuszeitfunktionen mit Vielfachen der Netzfrequenz (k = 0,1,2, ...) erzeugt.

Im Sonderfall monofrequenter, sinusförmiger Strom- und Spannung s zeitver.läufe gibt es, wie der Zeitverlauf .von S. nach Gleichung (6) zeigt, nur einen Gleich- und einen Wechselanteil mit doppelter Frequenz. Es genügt daher k = 0,2 zu setzen und den Vektor F_ = (1, cos 2cot, sin 2ct>t) zu definieren. Geht man von einem Leistungszeitverlauf nach Gleichung (6) aus, genügt es, zur Bestimmung der Wechselleistungen P^, QrJ₁ den Imaginärteil von S. zu betrachten. Für Q_t = Im X sA gilt nach Gleichung (6)

Q_t = Q - P^ sin 2cot + Q^/ cos 2cot (9). Diese Gleichung zeigt, daß die Augenblicksblindleistung

JS

nur dann ganz verschwinden kann, wenn die Blindleistung Q kompensiert und die Wechselwirk- und Wechselblindleistung (P*u , Q*>-#) durch Symmetrierung beseitigt werden kann.
5

Die !Compensations- und Symmetrierbedingung (8) ist für Q = P^,= Q^= 0 erfüllt.

Für den hier angenommenen stationären Fall ergibt die gleitende Fourieranalyse, die in den Meßumformern 52, 62 durchgeführt wird, für die Blindleistung

X (10)

Q₀ "(t) = f- f Q_t dX = Q,

t-T/2
und für die Wechselblindleistung

t
Q_2c (t) = |· J Q_t cos 2CO^d¹C ο Q~ (11)

t-T/2

und für die Wechselwirkleistung
t

Q_2s(t) = £ J Q_t sin 2co*Cdf = -Pr- (12).

t-T/2

Die gleitende Fourieranalyse der Meßgröße P., die in den Meßumformern 54, 64 durchgeführt wird, führt bei dem hier angeführten Sonderfall einer linearen Einphasenlast zu den gleichen Ergebnissen wie in den Gleichungen (10,11,12)

T angegeben und kann daher hier entfallen (P^ » 0_)·

Erfindungsgemäß wird nach Glättung des Istwert-Vektors 30

T ^Q

(13)

im elektronischen Filter 7 und dem Soll-Istwert-Vergleich

T
mit einem Sollwert Q aus der Regelabweichung mittels eines Reglers 8 ein StellgrößenvektorΔ Q gebildet. Im Meßumformer 9 wird schließlich die Fourierdarstellung der Stellgröße ΔQ_t durch Vektormultiplikation

, cos 2cot, sin 2c*>t

-Δ CW

2cot + P^ sin 2wt

erzeugt und dem Steuergerät 10 des Blindleistungsstromrichters 3 zugeführt.

Bei bestimmten Blindleistungsstromrichtern, wie z.B. bei über Drehstromsteller gestellte Drosselspulen, kann die Wechselwirk- und die Wechselblindleistung nicht unabhängig voneinander verstellt werden. Bei solchen Stellglie-

T dern wird der Vektor für die Wechselwirkleistung P_ ana-

T log zu dem der Wechselblindleistung Q in den Meßumformern 54, 64 gebildet und zu diesem im Summierungspunkt 70 vor dem elektronischen Filter 7 komponentenweise addiert. Es gilt

20 Q^T + P^T = I Q +P

η, c

Q +P * n, s n,

Q
nc

nc

2n

J^

cos

t-T/

t J Q_fc

sin

r_dv

t-T/

γ JP_n cos ncof dt'; t-T/

t-T/

P_t sin

für η = l,2,....k und

T.

Dabei sind mit dem Index c die Kosinusglieder, mit dem Index s die Sinusglieder gekennzeichnet.

Das Gleichglied Q_Q wird durch Mittelwertbildung über eine Periode (m = 1) oder eine halbe Periode (m = 2) nach der Rechenvorschrift t gebildet,

ο ^β rr

t-T/

JB

In dem mehrkanaligen Filter 7 werden die zeitabhängigen Fourierköeffizienten der Kosinus- und Sinusglieder geglättet. Danach werden diese Misgangswerte zur Bestim-

T T mung der Regelabweichung mit Sollwerten P , Q verglichen. Aus der Regelabweichung werden mittels eines Mehr-

T T kanalreglers 8 Stellgrößenvektoren A P. , Δ Q, » das heißt die Fourierköeffizienten der Stellgrößeος für das Steuergerät 10 des Blindleistungsstromrichters 3, ermittelt. Diese werden dem Meßumformer 9 zugeführt; dort wird der Zeitverlauf der Stellgröße oC durch Multiplikation der Fourierköeffizienten mit den Sinus- und Kosinuszeitfunktionen sowie der Konstanten "1" des im Oszillator erzeugten Vektors F_ gebildet; diese Größen sind mit Δ.Ρ. und Δ Q. bezeichnet. Sie werden addiert und bilden so

die Stellgröße d, = ΔP_t+ AQ_t, die dem Steuergerät 10 zugeführt wird.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Dem Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dreiphasennetz 1, das mit einem 50 Hz-Einphasen-Bahnnetz 2 gekoppelt ist, mit Hilfe eines Blindleistungsstromrichters 3 zu kompensieren und zu symmetrieren. Der Blindleistungsstromrichter besteht aus drei in Dreieck geschalteten Wechselstromstellern 32 mit Drosselspulen 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 in Fig. 2 dargestellte Regelkreisstruktur ist die ähnlich gleiche wie in Fig. 1. Es sind auch gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Ausführlicher dargestellt sind nur die Regelkreise für die Spektralanteile der Augenblicksblindleistung Q_t. Die Signalverarbeitung für die Augenblickswirkleistung P. möge wegen gleicher Ergebnisse

der Wirk- und Blindleistungsanalyse wieder entfallen.

Die Signalverarbeitung für Q, geschieht in drei parallelen Kanälen; es gibt je einen für die Blindleistung Q Meßumformer 61, Filter 71, Regler 81, Wechselwirkleistung P^j Meßumformer 52, Meßumformer 62, Filter 72, Regler 82, Meßumformer 92 und Wechselblindleistung Q ** Meßumformer 53, Meßumformer 63, Filter 73, Regler 83, Meßumformer 93, dabei entspricht der Meßumformer 53 in seiner Wirkung dem Meßumformer 52, die Meßumformer 61 und 63 in ihrer Wirkung dem Meßumformer 62 und die Meßumformer 92 und 93 in ihrer Wirkung dem Meßumformer 9 gemäß Fig. 1. Gemäß der Rechenvorschrift zur Bildung der Fourierreihe werden die drei Anteile im Summenpunkt 91 überlagert. Am Summenpunkt 91 wird noch eine zusätzliche Größe Q zur Einstellung der Ruhelage des Regelkreises hinzugefügt. Der Ausgang des Summenpunktes 91 führt über den Kennliniengeber 11 mit inverser Steuerkennlinie auf das Steuergerät 10 für den Blindleistungsstromrichter 3.

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.

Als Blindleistungsstromrichter werden hier ein Drehstromsteller 33, 34 und/oder drei Wechselstromsteller 32 mit drei Drosselspulen 31 in Dreieckschaltung zur Symmetrierung und Kompensation eines Drehstromlichtbogenofens 21, 22 verwendet. Die Aufteilung in zwei Stellglieder in Dreieck- und Sternschaltung führt aufgrund einer Halbierung der Totzeit zu einer weiteren Verbesserung des dynamischen Verhaltens 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

yd

echte Zwölfpuls-Eigenschaften. Dadurch verringern sich die Oberschwingungen im Stellerstrom. Anstelle der hier vorgesehenen zwei 6-Puls-Steuergeräte 10, 1Ö' mit Vorgeschalteter inverser Kennlinie 11, 11* kann dann ein 12-Puls-Steuergerät verwendet werden. Mit 35', 36· ist ein Saugkreis bezeichnet.

Die Regelkreisstruktur wurde gegenüber Fig. 2 um die Meßumformer 54, 55, 64, 65 zur Analyse der Wechselwirkleistung und die Summierungspunkte 70, 70' erweitert. Durch die getrennte Messung und anschließender Summation der Wechselwirk- und Wechselblindleistung, die beim Lichtbogenofen zeitlich nicht gleich groß sind, kann die Regeldynamik der Symmetrierregelkreiöe verbessert werden. Dieses Verfahren ist nur sinnvoll, wenn, wie beim vorliegenden Blindleistungsstromrichter, die Wechselwirk- und Wechselblindleistung nicht unabhängig voneinander gestellt werden können. .

Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH
Theodor-Stern-Kai 1
D-1000 Frankfurt 70

Krn/schb B 83/4 Krn

Verfahren und Schaltungsanordnung zur dynamischen Blindleistunqskoinpensation und Symmetrierung von unsymmetrischen Netzen und Lasten mit BlindleistunqsStromrichtern

Patentansprüche

f 1..'Verfahren zur dynamischen Blindleistungskompensation

und Symmetrierung für m-Phasensysteme ohne Sternpunktleiter mit ein- und mehrphasigen Verbrauchern und einem mehrphasigen Blindleistungs-Stromrichter, bei dem die Steuergrößen für den Blindleistungs-Stromrichter aus Netzstrom und —spannung gebildet werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: 1. es wird die Augenblicksleistung P, (im folgenden analog zur eingeführten "Augenblicksblindleistung" Q_t "Augenblickswirkleistung" genannt) durch Multiplikation der Netzspannungen (u^, u_?7

u ) mit den Netzströmen (i-,, i~,...i ) und an

schließender Addition und die dazu orthogonale Augenblicksblindleistung Q. durch Multiplikation der orthogonalen Netzspannungen (u-i, u-j^^.-u j_) mit den Netzströmen (i^, I_n. ... .i ) und anschlie-

1 £.' m

ßender Summenbildung in einem ersten Meßumformer (4) gebildet,
2. es werden die Zeitverläufe der Augenblicksblindleistung Q_t und Augenblickswirkleistung P, mittels gleitender Fourieranalyse in ihre Spektral-

anteile zerlegt, indem ein Vektor F_ = (cos kctit, sin kcot,·..) mit netzsynchronen Kosinus- und Sinuszeitfunktionen mit Vielfachen der Netzfrequenz (k = 0,1,2...) in einem Oszillator (51) erzeugt und in einem zweiten und dritten Meßumformer (52,54) mit P., Q, multipliziert wird, und es werden in zwei weiteren vierten und fünften Meßumformern (62,64) die Fourierkoeffizienten der Zeitverläufe P,, Q, mittels gleitender Integration berechnet und anschließend im Summierungspunkt (70) komponentenweise addiert,
3. in einem Mehrkanalfilter (7) werden die zeitabhängigen Fourierkoeffizienten-der Kosinus- und Sinusglieder geglättet und danach, zur Bestimmung

T T der Regelabweichung, mit den Sollwerten P^, Q verglichen,
4. aus der Regelabweichung werden mittels eines Mehrkanalreglers (8) die Fourierkoeffizienten der Stellgröße für das Steuergerät XlO) des Blindleistungsstromrichters (3) ermittelt,
5. in einem sechsten Meßumformer (9) wird der Zeitverlauf der Stellgröße oO durch Multiplikation der Fourierkoeffizienten mit den Sinus- und Kosinusfunktionen des Oszillators (51) und anschließender Addition der Größen gebildet, und schließlich, zur Steuerung des Blindleistungsstromrichters (3), dem Steuergerät (10) zugeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Meßumformer (4) die Augenblickswirksleistung P, nach der Meßgleichung

^Pt " ¹¹IS¹I ^{+ υ}23^-2
und die Augenblicksblindleistung nach der Meßgleichung

bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die gleitende Mittelwertbildung durch den vierten und fünften Meßumformer (62,64) nach den Meßgleichungen

t ^:t

Q_nc = ψ J

t-T/

^Qt sin ncoTdf

t-T/_n.

t t

P_nc -ψ^Κ cos nCoTdT; P - ψ J P sin ncjtdt nc j. , m ,τ. ns j. im/^-

^r 'η ⁷n

für η = 1,2, k undco =

₂T

und

t-T/

, L

mit m = 1 oder m = 2 erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß im Sonderfall gleicher Ergebnisse der Wirk- und Blindleistungsanalyse (q^T (t) =P.^T (t)J nur die Augenblicksblindleistung Q, gemessen und analysiert wird und die Signalverarbeitung für P_t entfällt.

5. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß den Steuergeräten der Steller (10, 10') die inversen Steuerkennlinien vorgeschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Blindleistungsstromrichter (3) aus drei, in Dreieck geschalteten Wechselstromstellern (32) mit drei Drosselspulen (31), einer Saugkreisanlage (35, 36) und im Bedarfsfall aus

COPY J

einem zusätzlichen Drehstromsteller in Stern- oder Polygonschaltung (33) mit in Reihe geschalteten Drosselspulen (34) besteht.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß der Blindleistungsstromrichter (3) aus einem dreiphasigen im Dreieck geschalteten Wechselstromsteller (32) mit in Reihe geschalteten Drosselspulen (31) und einer "unsymmetrischen" Saugkreisanlage (35·, 36') besteht.