DE3342210C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine HGU-Kraftwerkstation mit Maschinentransformator gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Eine solche HGÜ-Kraftwerkstation ist aus F. Hölters, K.W. Kanngießer und W. Ziegler: "Technik und Einsatz­ möglichkeiten der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung" etz-A 89 (1968), Heft 8 bekannt. Im bekannten Fall sind mehrere Generatoren über Stromrichtertransformatoren mit in Serie liegenden Gleichrichtern einer HGÜ zu einer Einheit verbunden (siehe Seite 174, Bild 6a).

Gegenüber einer konventionellen HGÜ-Stations-Anordnung hat dies den Vorteil, daß eine Drehstromschaltanlage sowie Fil­ terkreise in Wegfall kommen. Aus wirtschaftlichen Gründen kommt vorzugsweise eine Doppelblockschaltung, d. h. eine An­ ordnung mit 12-pulsiger Rückwirkung in Frage, weil nur dann der Generator in seiner Leistung annähernd voll ausgenutzt werden kann.

Bei der Verbindung eines Generators mit einer HGÜ werden normalerweise Gleichrichter- und Wechselrichterstation getrennt aufgestellt, um die technischen und wirtschaftlichen Vorteile einer Gleichstromleitung im Vergleich zu einer Drehstromleitung ausnützen zu können. Es ist aber durchaus sinnvoll, einen Generator mit einer HGÜ-Kurzkupplung, bei der Gleich- und Wechselrichter in einer Station vereinigt sind, zu kuppeln, weil auch bei dieser Anordnung die technischen Vorteile der HGÜ, nämlich die asynchrone Kupplung, die Nichtübertragung von Kurzschlußleistung und die schnelle und genaue Regelbarkeit voll genutzt werden können.

Ein Vorteil der Kurzkupplung ist auch, daß die Daten des Gleichstromkreises frei von den Gesetzmäßigkeiten einer Freileitung nach technisch-wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden können. Im allgemeinen wird man den Nenngleichstrom so wählen, daß die größtverfügbaren Leistungsthyristoren strommäßig gerade voll ausgenutzt sind und wird sich in der Gleichspannung dann entsprechend der Nennleistung anpassen.

Als Nachteil eines Einsatzes einer HGÜ-Kurzkupplung ist jedoch der erhebliche, insbesondere auch durch den Einsatz eines Voll-Transformators bedingte Kostenaufwand zu nennen.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine für 12-Puls-Betrieb geeignete HGÜ-Kraftwerkstation mit Maschinentransformator der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der Kostenaufwand erheblich reduziert ist.

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

Dabei ist im Zusammenhang mit einer Umrichterschaltung für eine Drehfeldmaschine aus der DE 23 48 157 B2 eine aus ei­ ner Drehfeldmaschine, drei mittelangezapften Drosselspulen und zwei selbstgeführten 6-pulsigen Stromrichtern beste­ hende Anordnung bekannt, wobei die Mittelanzapfungen an die Drehfeldmaschine und die äußeren Klemmen der Drosselspulen an die beiden Stromrichter angeschlossen sind. Die beiden selbstgeführten Stromrichter werden um 30°el gegeneinander versetzt angesteuert.

Aus "der elektromeister + deutsches elektrohandwerk", Heft 6/82, Seite 332 bis 335 ist es bekannt, einen Dreiwick­ lungs-Transformator zur Bildung einer 12-pulsigen Gleich­ spannung einzusetzen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbe­ sondere darin, daß durch den Ersatz des üblicherweise zwischen Generator und Stromrichter angeordneten Voll-Transformators durch einen einfachen Schwenktrans­ formator neben der erheblichen Einsparung an Kosten auch der Raumbedarf der HGÜ-Kraftwerkstation reduziert und infolge geringer Verluste der Wirkungsgrad verbessert wird. Weitere Vorteile sind aus der Beschreibung er­ sichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Wechselstrom-Übertragungssystem mit einer Blockschaltung von Generator und HGÜ-Kurzkupp­ lung mit zwischengeschaltetem Schwenktransfor­ mator,

Fig. 2 einen Schwenktransformator,

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm, welches die durch den Schwenktransformator erzielten Phasen­ schwenkungen erkennen läßt,

Fig. 4 eine 12-Puls-Blockschaltung mit mehreren pa­ rallelen elektrisch getrennten Gleichstrom­ kreisen.

In Fig. 1 ist ein Wechselstrom-Übertragungssystem mit einer Blockschaltung von Generator und HGÜ-Kurzkupplung mit zwischengeschaltetem Schwenktransformator darge­ stellt. Eine Dampf-, Gas- oder Wasserturbine 1 treibt über eine Welle einen Drehstromgenerator 2 an. Der Gene­ rator 2 speist über einen Schwenktransformator 3 (Booster-Transformator) eine HGÜ-Kurzkupplung 4 (beste­ hend aus Gleichrichter 5 und Wechselrichter 6), einen Netztransformator 7 und eine Drehstromleitung 8 in ein Verteilungsnetz 9 ein. Die dem Schwenktransformator 3 eingangsseitig anliegende Generatorspannung ist mit UG und die ihm ausgangsseitig entnehmbaren beiden Span­ nungssysteme sind mit U₁, U₂ bezeichnet.

An die Drehstromleitung 6 sind Filterkreise 10 zur Kom­ pensation der von der HGÜ-Kurzkupplung 4 Verursachten Oberwellen angeschlossen.

Gleichrichter 5 und Wechselrichter 6 der HGÜ-Kurzkupp­ lung 4 sind über einen Gleichstromzwischenkreis mitein­ ander verbunden und jeweils aus zwei Drehstrombrücken aufgebaut. Da die beiden vom Schwenktransformator 3 gebildeten Spannungssysteme U₁, U₂ ihren Ursprung gemeinsam im Generator-Sternpunkt haben, können die beiden an sie angeschlossenen Drehstrombrückenschal­ tungen auf der Gleichstromseite nicht in Reihe, sondern nur parallel geschaltet werden. Zwischen den Parallel­ schaltungspunkten sind Drosseln vorgesehen, die die Ausgleichströme der charakteristischen Sechspuls-Har­ monischen begrenzen.

Durch den Einsatz der HGÜ-Kurzkupplung 4 ist es möglich, die Generatordrehzahl und damit auch die Turbinendreh­ zahl unabhängig von der Frequenz des Wechsel- bzw. Dreh­ stromnetzes 9 nach optimalen Gesichtspunkten unter Be­ rücksichtigung des Wirkungsgrades, der Kosten und der Raumerfordernisse auszuwählen. Bei einem Pumpspeicher­ werk sind z. B. somit in einfacher Weise zwei verschie­ dene Drehzahlen für Pump- und Turbinenbetrieb möglich. Bei Wasserkraftwerken kann die Drehzahl in Abhängigkeit des Wasserstandes stufenlos ausgewählt werden.

In Fig. 2 ist der Schwenktransformator 3 dargestellt, der aus der eingangsseitig anliegenden Generatorspannung UG zwei um ± 15° zu U_G phasenverschobene Drehspannungs­ systeme U₁, U₂ bildet. Der Schwenktransformator 3 weist drei im Dreieck geschaltete Primärwicklungen (Unterspan­ nungswicklungen) 11, 12, 13 auf. Dabei liegen die Klem­ men u bzw. x der Primärwicklung 11 an den Klemmen S bzw. T des Generators 2, die Klemmen v bzw. y der Primärwick­ lung 12 an den Klemmen T bzw. R des Generators 2 sowie die Klemmen w bzw. z der Primärwicklung 13 an den Klem­ men R bzw. S des Generators 2.

Der Schwenktransformator 3 weist ferner drei Sekundär­ wicklungen (Oberspannungswicklungen) 14, 15, 16 mit Mit­ telanzapfungen auf. An den äußeren Klemmen U der Sekun­ därwicklung 14, V der Sekundärwicklung 15 und W der Se­ kundärwicklung 16 ist dabei das erste um + 15° zu U_G phasenverschobene Spannungssystem mit der Spannung U₁ abgreifbar. Das zweite, um -15° zu U_G phasenverschobene Spannungssystem mit der Spannung U₂ ist an den äußeren Klemmen Z der Sekundärwicklung 16, Y der Sekundärwick­ lung 15 und X der Sekundärwicklung 14 abgreifbar. Die Mittelanzapfungen der Sekundärwicklungen 14 bzw. 15 bzw. 16 sind dabei direkt mit den Klemmen R bzw. S bzw. T des Generators 2 verbunden.

In Fig. 3 sind die durch den Schwenktransformator 3 er­ zielten Phasenschwenkungen ± 15° der Spannungssysteme U₁ und U₂ gegenüber der Generatorspannung U_G im Zeigerdia­ gramm dargestellt.

Die in Bild 2 gezeigte Schaltung ist nicht die einzige Möglichkeit, durch Schwenktransformatoren zwei phasen­ verschobene Systeme herzustellen; bei primärseitiger Sternschaltung läßt sich beispielsweise eine Art Gabel­ schaltung verwirklichen. Das hier gezeigte System ist jedoch das vom Aufwand her optimale; die Typenleistung des Schwenktransformators beträgt lediglich 25,9% der Durchgangsleistung.

Die Blockschaltung mit Schwenktransformator bedingt wegen der aus Isolationsgründen auf etwa 25 kV begrenz­ ten Generatorspannung U_G bei großen Generatorleistungen sehr hohe Gleichströme. Diese können nicht mehr durch einen einzelnen Thyristor je Ventilzweig bewältigt wer­ den, es müßten vielmehr eine größere Anzahl Thyristoren parallel geschaltet werden. Die direkte Parallelschal­ tung von Thyristoren hat eine gleichmäßige Stromauftei­ lung in allen Betriebs- und Störungsfällen zur Bedin­ gung. Dies setzt geringe Toleranzen in den Thyristorpa­ rametern sowie einen konstruktiven Ventilaufbau mit gleichen Streuinduktivitäten der Leitungsführung voraus. Diese Bedingungen und Einschränkungen kann man umgehen, wenn mehrere getrennte, aus Gleich- und Wechselrichter bestehende, Gleichstromkreise mit jeweils eigener Strom­ regelung vorgesehen werden.

In Fig. 4 ist als Beispiel hierzu eine 12-Puls-Block­ schaltung mit mehreren parallelen elektrisch getrennten Gleichstromkreisen dargestellt. An die Klemmen R, S, T des Drehstromgenerators 2 sind die Primärwicklungen 11, 12, 13 . . . 11n, 12n, 13n von n (n = ganze Zahl) Schwenk­ transformatoren 3 . . . 3n in der unter Fig. 2 beschriebenen Weise angeschlossen. Die dem ersten Spannungssystem U₁ zugeordneten Klemmen U, V, W der Sekundärwicklungen 14, 15, 16 . . . 14n, 15n, 16n sind mit Gleichrichterbrücken 17 . . . 17n verbunden, während die dem zweiten Spannungs­ system U₂ zugeordneten Klemmen Z, Y, X der Sekundärwick­ lungen 14, 15, 16 . . . 14n, 15n, 16n an Gleichrichterbrücken 18 . . . 18n angeschlossen sind.

Jeweils zwei Gleichrichterbrücken 17, 18 . . . 17n, 18n sind parallel geschaltet und speisen einen Gleichstromkreis, an den jeweils zwei Wechselrichterbrücken 19, 20 . . . 19n, 20n angeschlossen sind. Am ersten Pol der Gleichstromkreise liegen die Pluspole der Gleichrichter­ brücken 17 . . . 17n direkt und die Pluspole der Gleichrich­ terbrücken 18 . . . 18n über Drosseln 21 . . . 21n. Am zweiten Pol der Gleichstromkreise liegen die Minuspole der Gleichrichterbrücken 18 . . . 18n direkt und die Minuspole der Gleichrichterbrücken 17 . . . 17n über Drosseln 22 . . . 22n.

An jeden der sich auf diese Weise ergebenden n elek­ trisch getrennten Gleichstromkreise sind jeweils zwei in Serie liegende und als Wechselrichter gesteuerte Dreh­ strombrücken 19, 20 . . . 19n, 20n angeschlossen. Die Dreh­ strombrücken 19 . . . 19n sind ausgangsseitig mit einer ersten Drehstromschiene 23 und die Drehstrombrücken 20 . . . 20n sind mit einer zweiten Drehstromschiene 24 ver­ bunden. Die Drehstromschienen 23 bzw. 24 sind an die erste bzw. zweite Primärwicklung 25 bzw. 26 eines Drei­ wickler-Drehstromtransformators 27 (entspricht dem Netz­ transformator 7 gemäß Fig. 1) angeschlossen. Über die Sekundärwicklung 28 des Transformators 27 wird in die Drehstromleitung (entspricht 8 der Fig. 1) eingespeist.

Durch den Einsatz mehrerer elektrisch getrennter Gleich­ stromkreise mit jeweils eigener Stromregelung wird eine genaue Stromaufteilung unter allen Betriebsbedingungen und unabhängig vom mechanischen Aufbau erreicht. Jeder Gleichstromkreis ist mit eigenen Regel- und Schutzein­ richtungen ausgerüstet, dadurch wird ein hoher Grad an Sicherheit und Redundanz erzielt.

Da jedem Gleichstromkreis ein eigener Schwenktransforma­ tor zugeordnet ist, erhält damit jeder Stromrichter einen gewissen Eigenanteil an der Kommutierungs-Reak­ tanz. Hierdurch wird die bei ausschließlich gemeinsamer Kommutierungs-Reaktanz schwierig zu bewerkstelligende unabhängige Zündung der Stromrichter bedeutend erleichtert.

Die Gleichrichterbrücken 17 . . . 17n, 18 . . . 18n können wahlweise mit Thyristoren oder mit Dioden ausgerüstet sein. Im zweiten Fall erfolgt die Regelung nur durch den Generator und die Wechselrichterbrücken 19 . . . 19n, 20 . . . 20n, während im ersten Fall auch die Thyristoren der Gleichrichterbrücken bestimmte Regelfunktionen erfüllen können. Die Vorteile eines Thyristor-Gleichrichters sind die sehr schnelle Generatorstromregelung sowie der wirksame Schutz durch Strombegrenzung durch eine Stromunterbrechung innerhalb einer Periode und durch eine schnelle Wiedereinschaltung. Ferner kann auf einen Generatorschalter und einen Gleichstromleistungsschalter verzichtet werden. Die Vorteile eines Dioden-Gleichrichters sind die reduzierten Kosten der Ventile, die niedrigeren Verluste und der Fortfall der Ventilregelkreise. Bei einer Bestückung der Gleichrichterbrücken 17 . . . 17n, 18 . . . 18n mit Dioden ist allerdings zur Abschaltung von Fehlerströmen ein Gleichstromleistungsschalter oder ein Generatorschalter notwendig.

Bei einer Bestückung der Gleichrichterbrücken mit Thyristoren kann jeder Fehlerstrom auf der Leitung (z. B. Kurzschlußstrom) vom Generator 2 ferngehalten werden. Der Stromanstieg wird dabei von den Drosseln 21 . . . 21n, 22 . . . 22n des Gleichstromzwischenkreises begrenzt. In Verbindung mit der Stromregelung des Gleichrichters kann der Fehlerstrom im nichtkritischen Bereich des Generators gehalten werden.

Bei Auftreten eines internen Stromrichterfehlers (z. B. Überschlag über ein Stromrichterventil) wirkt eine thy­ ristorbestückte Gleichrichterbrücke wie ein innerhalb einer Periode schaltender Leistungsschalter und redu­ ziert die Anzahl der Drehmomentstöße im Generator auf 1. Bei einer diodenbestückten Gleichrichterbrücke muß bei einem solchen Fehlerfall der Generatorschalter eingrei­ fen, unterstützt durch die Generator-Schnellentregung.

Claims (5)

1. HGÜ-Kraftwerkstation in Blockschaltung mit min­ destens einem Drehstromgenerator, mindestens einem Maschinentransformator und mindestens einem aus Dreh­ strombrückenschaltungen bestehenden 12-Puls-Stromrich­ ter, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung des Maschinentransformators als Schwenktransformator (3) die Mittenanzapfungen der Sekundärwicklungen (14, 15, 16) mit der Generatorspannung (U_G) beaufschlagt werden und zur Speisung der als HGÜ-Kurzkupplung (4) ausgebildeten Stromrichter (17, 18, 19, 20) zwei um 30° elektrisch gegen­ einander phasenverschobene Drehstrom-Spannungssysteme (U₁, U₂) an den äußeren Klemmen (U, V, W, X, Y, Z) der Sekun­ därwicklungen (14, 15, 16) abgreifbar sind.

2. HGÜ-Kraftwerkstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden phasenverschobenen Dreh­ strom-Spannungssysteme (U₁ U₂) zwei gleichstromseitig über Drosseln (21, 22) parallel geschaltete Gleichrich­ terbrücken (17, 18) beaufschlagen.

3. HGÜ-Kraftwerkstation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HGÜ-Kurzkupplung (4) aus einer Vielzahl paralleler, elektrisch getrennter, jeweils durch eigene Schwenktransformatoren (3 . . . 3n) speisbare Gleichstromkreise besteht.

4. HGÜ-Kraftwerkstation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter­ brücken (17, 18) der HGÜ-Kurzkupplung mit Dioden ausge­ rüstet sind und ein Generatorschalter zum Überstrom­ schutz des Drehstromgenerators vorgesehen ist.

5. HGÜ-Kraftwerkstation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter­ brücken (17, 18) der HGÜ-Kurzkupplung mit Thyristoren ausgerüstet sind.