DE3347549A1 - Verfahren und vorrichtung zur bildung einer netzsynchronen schwingung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bildung einer netzsynchronen schwingung

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DE3347549A1 DE19833347549 DE3347549A DE3347549A1 DE 3347549 A1 DE3347549 A1 DE 3347549A1 DE 19833347549 DE19833347549 DE 19833347549 DE 3347549 A DE3347549 A DE 3347549A DE 3347549 A1 DE3347549 A1 DE 3347549A1
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Bildung einer netz synchronen
  • Schwingung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer netz synchronen Schwingung, insbesondere einer Synchronisierspannung für einen an ein schwaches Netz angeschlossenen Stromrichter, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zur Steuerung oder Regelung von elektrischen Einrichtungen, die an ein Wechselspannungs- oder Drehspannungsnetz angeschlossen sind, wird häufig eine Referenzspannung benötigt, die möglichst phasenstarr auf die Spannung oder den Strom des Netzes synchronisiert ist. Eine derartige netzsynchrone Referenzspannung wird z.B. benötigt, wenn die Ventile eines an das Netz angeschlossenen gesteuerten Stromrichters jeweils bei bestimmten Phasenlagen des Netzes geschaltet werden sollen, wobei diese Phasenlagen als Steuerwinkel von einer übergeordneten Steuerung oder Regelung vorgegeben werden. Vor allem bei sogenannten schwachen Netzen kann die angeschlossene Last Netz rückwirkungen erzeugen, die sich z.B. als Oberschwingungsspannungen der Netzspannung überlagern. Sind an das Netz gesteuerte Stromrichter angeschlossen, so treten daneben Kommutierungseinbrüche auf, die bis zu 100 % der Grundschwingungsamplitude der Netzspannung betragen können.
  • Als Synchronisierspannung muß nun durch Glättung der Netzleiterspannung deren Grundschwingung ermittelt werden, da deren Nulldurchgänge als Synchronisierzeitpunkte für den Steuersatz der Stromrichter benötigt werden. Die von der Stromrichterlast verursachten Kommutierungseinbrüche bewirken nun, daß die Grundschwingung der belasteten Netzleiterspannung gegenüber der unbelasteten Netzleiterspannung nacheilend phasenverschoben wird. Dies kann eine unerwünschte, oft störende Abweichung der Steuerimpulse vom gewünschten Steuerwinkel zur Folge haben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus Meßwerten des Stromes oder der Spannung eines Wechsel- oder Drehstromnetzes eine Schwingung zu bilden, die synchron zu dem unbelasteten Netz ist und auch noch synchron bleibt, wenn durch die Netz rückwirkung eines angeschlossenen Verbrauchers bei belastetem Netz eine Phasenverschiebung der Grundwelle gegenüber dem unbelasteten Netz auftritt.
  • Verwendet man übliche RC-Schaltungen als Glättungsglieder, so bewirken diese eine frequenzabhängige Phasenverschiebung, die eine entsprechende Phasenkorrektur erforderlich machen.
  • Eine Einrichtung zur phasenrichtigen Glättung ist in der deutschen Offenlegungsschrift 20 19 263 beschrieben. Dort werden zwei Größen, die in einem raumfesten orthogonalen Bezugssystem einen Vektor E durch seine beiden kartesischen Komponenten lEl. cos IEI . sinL darstellen, mittels eines Vektordrehers in ein mit einer vorgegebenen Frequenz rotierendes Koordinatensystem transformiert.
  • Durch Division der beiden transformierten Orthogonalkomponenten IEI . sin (L-oC) und tEl . cos (£-«) wird eine entsprechende Richtungskomponente tan (t-o<) gebildet. Die Winkeldifferenz (£-i) wird nun zu Null geregelt, indem diese Richtungsgröße einem PI-Regler zugeführt wird, dessen Ausgangsgröße als Stellgröße einem frequenzgesteuerten Sinus-Cosinus-Oszillator zugeführt wird. Dessen Ausgangsgrößen cos CC, sin K stellen somit ein den Winkel beschreibendes Signalpaar dar, das dem entspre- chenden Winkel eingang des Vektordrehers zur Vorgabe der Transformationsgrößen zugeführt wird und damit die Transformationsmatrix für die Transformation der raumfesten Orthogonalkomponenten festlegt. Insgesamt bewirkt dieser Regelkreis, daß die Frequenz des rotierenden Bezugssystems der Frequenz des zeitlich veränderlichen, raumfesten Vektors E so nachgeführt wird, daß die Winkeldifferenz -x im Mittel verschwindet. Da diese Mittelung durch den PI-Regler jedoch im rotierenden Koordinatensystem stattfindet, hat die Zeitkonstante dieser Mittelung höchstens einen Einfluß auf die Dynamik der Anordnung, sps bewirkt jedoch für stationäre Zustände keine Phasenverschiebung.
  • Vielmehr stellen die Ausgangssignale cosi, sinkt des frequenzgesteuerten Oszillators zwei mit der Phase des Vektors E im stationären Fall streng zusammenfallende Schwingungen dar. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist außerdem ein zweiter Regelkreis vorgesehen, dem die transformierte Orthogonalkomponente IEl cos (ç-«) zugeführt ist, und dessen Ausgangsgröße IEl dem Mittelwert dieser Orthogonalkomponente nachgeführt ist, so daß dadurch der zur Winkeldifferenz £-« = 0 gehörende mittlere Vektorbetrag IEI erhalten wird. Durch Multiplikation der Transformationsgröße cos ol i, sin i mit dem Vektorbetrag tEI werden somit die geglätteten, raumfesten Orthogonalkomponenten des Vektors E ermittelt.
  • Eine ähnliche Vorrichtung ist in einer nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung des gleichen Anmelders ( P 33 03 #54.o) zur rauscharmen Frequenzmessung bei einer mehrphasigen elektrischen Leistungsübertragung verwendet.
  • Dabei werden als raumfeste orthogonale Komponenten Größen verwendet, die aus am Leitungssystem abgegriffenen Meßwerten als dem nullpunktfreien Meßwertsystem zugeordnete Orthogonalkomponenten gebildet sind. Auf die Ermittlung des geglätteten Vektorbetrages kann dabei verzichtet werden, vielmehr wird lediglich aus den transformierten Orthogonalkomponenten eine richtungsbestimmende Größe gebildet, die zusammen mit einem Sollwert, der im transformierten Bezugssystem eine konstante Richtung angibt, dem Regler zugeführt ist. Das Reglerausgangssignal bestimmt einerseits wiederum die Frequenz, mit der das rotierende Bezugssystem dem raumfest eingegebenen Vektor nachgeführt wird, andererseits kann das Reglerausgangssignal direkt als Meßgröße für die Frequenz abgegriffen werden.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird davon ausgegangen, daß an sich eine phasenrichtige Glättung erreicht wird, wenn die bekannte Vorrichtung zum phasenrichtigen Glätten auf das nullpunktfreie Meßwertsystem angewendet wird.
  • Kommutierungseinbrüche und andere Netzrückwirkungen von kurzer Dauer wirken sich dabei so aus, daß während dieser Zeiten der ins rotierende Bezugssystem transformierte Vektor gegenüber der durch den Richtungssollwert vorgegebenen Richtung des geglätteten Vektors beträchtlich abweicht. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, für die Nachführung derFrequenz des rotierenden Bezugs systems nur diejenigen Werte der Orthogonalkomponenten zu verwerten, deren Regelabweichung vom Sollwert einen einstellbaren Grenzwert nicht überschreitet. Da im allgemeinen die Amplitude der netz synchronen Schwingung konstant gehalten sein soll, wie dies z.B. zur Zündwinkelsteuerung von Stromrichtern erforderlich ist, kann auf die Ermittlung des Vektorbetrages verzichtet werden und die durch die Regelung gebildeten Transformationsgrößen sin i , cos CL können direkt als das Netz charakterisierende synchrone Schwingungen abgegriffen werden.
  • In den-Ansprüchen ist das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Vorrichtung und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Anhand eines Ausführungsbeispieles und zweier Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
  • Gemäß Fig. 1 werden an den Phasen R, S, T mittels eines Trenntransformators 1 die Leiterspannungen UR und US so abgegriffen und an einem Verstärker 2 verstärkt, daß daraus die dem System der gemessenen Leiterspannungen zugeordneten raumfesten Orthogonalkomponenten gi , gA in leistungsinvarianter Schreibweise, entsprechend DIN 13321 gebildet werden. Sie beschreiben die orthogonalen Komponenten eines durch den Betrag U und die Richtung £ gegebenen Vektors in einem raumfesten Bezugssystem. Die Bildung dieser orthogonalen, einem System von 3 Meßwerten zugeordneten Komponenten durch eine entsprechende Schaltung 3 ist als "3/2-Koordinatenwandler" bekannt.
  • Diese Komponenten werden nun dem entsprechenden Vektorsignal-Eingang eines Vektordrehers 4 aufgeschaltet, dessen Winkelsignaleingang von dem Signalpaar (cos «, sink ) beaufschlag ist. Derartige Vektordreher sind ebenfalls bekannt und liefern an sich als Ausgangssignale die Größen U . cos (-CL), U . sin (-cL>, die die orthogonalen Komponenten des eingegebenen Vektors in einem Koordinatensystem beschreiben, das gegenüber dem raumfesten Koordinatensystem um den Winkel i gedreht ist. Da im allgemeinen nur die Phase der Netzschwingung, nicht jedoch deren Amplitude von Interesse ist, genügt es, aus den transformierten Orthogonalkomponenten nur eine geeignete Richtungskomponente auszuwählen. Dazu kann z.B. durch Division der beiden transformierten Komponenten die Größe tan (£-i) gebildet werden, im einfachsten Fall genügt es aber auch, z.B. nur die Komponente U.sin (L-oC) weiter auszuwerten.
  • Dem Vektordreher 4 ist über einen Schalter 5, der z.B.
  • mittels eines Feldeffekttransistors realisiert sein kann, ein Regler 6 mit integralem Anteil nachgeschaltet. Diesem Regler wird nun ein Sollwert für die Richtungskomponente, z.B. der Sollwert Null für sin (&-ol) zugeführt. Der Schalter 5sorgt dabei, daß die entsprechende Regelabweichung dem Regler 6 nur im ungestörten Betriebsfall zugeführt wird.
  • Zur Erfassung des ungestörten Betriebszustandes dient die Erfassungseinrichtung 7, die bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Regelabweichung den Schalter 5 betätigt, so daß dem Reglereingang dann als Regelabweichung der Wert Null zugeführt wird. Die Erfassungseinrichtung 7 kann dabei so eingerichtet sein, daß der Schalter dem Regler den Wert Null nur für eine vorgegebene, auf die Dauer der von einer Last im Mittel am Netz hervorgerufenen Spannungseinbrüche abgestimmte Zeit aufschaltet. Hierzu kann vorgesehen sein, daß einem Grenzwertmelder 7 ein zur maximal zugelassenen Richtungsabweichung (£~«)max gehörender Grenzwert auf geschaltet ist und der Grenzwertmelder 8 eine Kippstufe 9 anstößt, die für eine vorgegebene Dauer At das entsprechende Steuersignal für den Schalter 5 abgibt.
  • Die Dauer At kann im Falle eines an das Netz angeschlossenen Stromrichters gleich der mittleren Kommutierungsdauer gewählt sein.
  • Der Regler 6 stellt nun an seinem Ausgang eine Größe bereit, die als Stellgröße α zur Vorgabe der Umlauffrequenz des rotierenden Bezugssystems verwendet und einem als Stellglied für die Transformationsgrößen cos i , sind dienenden frequenzgesteuerten Sinus-Cosinus-Oszillator 11 zugeführt wird. Der Oszillator 11 kann dabei z.B. durch einen Integrator 12 verwirklicht sein, dessen Ausgangssignal als Adresse entsprechenden Funktionsspeichern zur Bildung der Funktionen cosi, sinK zugeführt ist.
  • Die Ausgangssignale dieses Oszillators 11 sind einerseits zum Winkeleingang des Vektordrehers 4 rückgeführt, andererseits werden sie über eine Ausgabeschaltung 14 abgegriffen. Die Ausgabeschaltung 14 kann im zugrunde gelegten dreiphasigen Fall vorteilhaft ein 2/3-Koordinatenwandler sein, der die beiden Eingangsgrößen,die den kartesischen Komponenten eines in einem raumfesten Bezugssystem durch die Richtung oW gegebenen Vektors darstellen, in drei gegeneinander um 1200 phasenverschobene Spannungen umsetzen. Diese Spannungen gR' gS, gT stellen somit Referenzspannungen dar, die den Phasen der drei Eingangsspannungen R, S, T entsprechen und konstante Amplitude haben.
  • Sofern für die Synchronisierspannungen bezüglich der Netzphasen eine bestimmte Phasenverschiebung vorgegeben sein soll, kann dies geschehen, indem dem Regler 6 als Sollwert für die Richtung des transformierten Vektors ein entsprechender Winkel (t-«)* vorgegeben wird. In diesem Fall wird das rotierende Bezugssystem dem Vektor des Meßwertsystems mit der entsprechenden Richtungsabweichung nachgeführt.
  • Für den Regler 6 ist an sich nur ein integraler Anteil zu fordern. Vorzugsweise wird jedoch ein PI-Regler mit kleiner Verstärkung und großer Nachstellzeit verwendet.
  • Die erwähnten Netzrückwirkungen, z.B. eines netzgeführten Stromrichters, können aber in manchen Fällen solche Phasenlagen aufweisen, daß die transformierte Komponente U . sin (t-i , die zur Überwachung und zum Betätigen des Schalters 5 verwendet ist, praktisch innerhalb des vorgegebenen Grenzwertes bleibt, jedoch die andere transformierte Komponente U . cos (t-«) sprunghafte Änderungen erleidet. Auch solche Netzrückwirkungen können die Phasenlage der erfaßten Synchronisierspannung gegenüber dem Netz verfälschen.
  • Zur Überwachung kann auch die transformierte Komponente U . cos (£-«) verwendet werden, indem der Schalter 5 betätigt wird, sobald die Erfassungseinrichtung sprunghafte Änderungen dieser Komponente feststellt. Fig. 2 zeigt eine Überwachungseinrichtung, bei der beide Komponenten überwacht werden. Das Öffnen des Schalters 9 wird dann vorgenommen, wenn wenigstens eine der beiden Überwachungen anspricht, d.h. für die Regelung der Stellgröße mittels der Orthogonalkomponenten werden nur die Orthogonalkomponenten derjenigen Betriebszustände verwendet, bei denen sowohl die eine transformierte Orthogonalkomponente einen vorgegebenen Grenzwert nicht u6erschreitet, wie auch die andere transformierte Orthogonalkomponente keine sprunghaften Änderungen aufweist.
  • Gemäß Fig. 2 ist die Größe U sin (e-d), die als Regelabweichung über den Schalter 5 dem Regler 6 zugeführt ist, zusätzlich über einen Gleichrichter 20 dem einen Eingang einer Maximumschaltung 21 zugeführt. Die andere Ausgangsgröße (U cos (£-«)), die in Fig. 1 nicht benötigt wurde, ist mittels eines Nachgebegliedes 22 differenziert und über einen Gleichrichter 23 dem anderen Eingang der Maximumschaltung 21 aufgeschaltet.
  • Die Maximumschaltung gibt nun jeweils die betragsmäßige größere Eingangsgröße auf den Grenzwertmelder (Komparator 9), der somit gleichzeitig beide Komponenten überwacht und bei Überschreiten des eingestellten Grenzwertes V das Zeitglied 10 zur Betätigung des Schalters 5 grenz anstößt.
  • - Leerseite -

Claims (6)

  1. Patentansprüche Verfahren zur Bildung einer netz synchronen Schwingung (gR), insbesondere einer Synchronisierspannung für einen an ein schwaches Netz (R, S, T) angeschlossenen Stromrichter, mit folgenden Merkmalen: a) Es werden aus am Netz abgegriffenen Meßwerten (UR, Us) die Orthogonalkomponenten (gd , gF ) des nullpunktfreien, raumfesten Meßwertsystems und aus einer regelbaren Stellgröße ( α ) Transformationsgrößen (cos i, sin o( ) für eine Transformation der raumfesten Orthogonalkomponenten in einen mit einer der Stellgrößen proportionalen Frequenz rotierenden Bildraum gebildet, b) es wird eine den in den Bildraum transformierten Orthogonalkomponenten zugeordnete Richtungskomponente (£-«) gebildet, und c) die Stellgröße ( i ) wird so geregelt, daß die Richtungskomponente mit einem konstant vorgegebenen Richtungssollwert ((S-s)* = 0) zusammenfällt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß d) für die Regelung der Stellgröße nur solche Werte der Orthogonalkomponenten verwertet werden, deren Regelabweichung vom Sollwert einen einstellbaren Grenzwert max nicht überschreitet, wobei e) die Transformationsgrößen (cosS sinC) als netzsynchrone Schwingung abgegriffen werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die eine transformierte Orthogonalkomponente auf Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes und die andere transformierte Orthogonalkomponente auf sprunghafte Änderungen ihres Wertes überwacht wird und daß für die Regelung der Stellgröße nur diewenigen Werte der Orthogonalkomponenten verwendet werden, bei denen beide Überwachungen nicht ansprechen.
  3. 3. Vorrichtung zur Bildung einer netzsynchronen Schwingung, insbesondere einer Synchronisierschwingung für einen an ein schwaches Netz angeschlossenen Stromrichter, mit a) einem Koordinatenwandler (3), der am Netz abgegriffene Meßgrößen in nullpunktfreie Orthogonalkomponenten umwandelt, b) einem Vektordreher (4), dessen Vektorsignal-Eingang die Orthogonalkomponenten aufgeschaltet sind, c) einem dem Vektordreher nachgeschalteten Regler (6) mit integralem Anteil, und d) einem Stellglied (11), das ein mit einer dem Reglerausgangssignal ( i ) proportionalen Frequenz veränderliches Winkelsignal (cos&, sinK) erzeugt, das einerseits dem Winkelsignaleingang des Vektordrehers (4) und andererseits einer Ausgabeschaltung (14) zugeführt ist, gekennzeichnet durch e) eine Erfassungseinrichtung (7), die bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Regelabweichung des Ausgangssignals des Vektordrehers von einem vorgegebenen Sollwert einen Schalter (5) betätigt, der dem Reglereingang vorübergehend den Wert Null aufschaltet.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Schalter (5) dem Regler (6) den Wert Null für eine vorgegebene, auf die Dauer der von einer Last im Mittel am Netz hervorgerufenen Spannungseinbrüche abgestimmte Zeit aufschaltet.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Stellglied ein frequenzgesteuerter Sinus-Cosinus-Oszillator und als Ausgabeschaltung (14) ein Koordinatenwandler zur Erzeugung von einer den Phasen des Netzes entsprechenden Anzahl gegeneinander phasenverschobener Spannungen verwendet wird.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der eine Ausgang des Vektordrehers dem Regler zur Steuerung des Stellgliedes als Regelabweichung und gleichzeitig einem Eingang einer Maximumschaltung zugeführt ist, deren anderer Eingang über ein differenzierendes Glied mit dem anderen Ausgang des Vektordrehers verbunden ist, und daß die Maximumschaltung den größeren Wert ihrer beiden Eingangsgrößen auf einen Komparator gibt, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes den Schalter öffnet.
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