DE3877332T2

DE3877332T2 - Blindleistungsregler.

Info

Publication number: DE3877332T2
Application number: DE8888118831T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Furuhashi; Syunichi Hirose
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2008-11-12
Also published as: EP0316804B1; EP0316804A1; US5051683A; DE3877332D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Blindleistungs-Kontroller zum Steuern einer von einem selbstkommutierenden Inverter ausgegebenen Blindleistung, der mit einer Wechselstromsystem-Leistungsquelle verbunden ist, durch Einstellen einer Ausgabewechselspannung des selbstkommutierenden Inverters.
Eine Vorrichtung zum Steuern einer Blindleistungsausgabe von einem selbstkommutierenden Inverter ist bekannt, wie der japanischen Patentveröffentlichung JP-A 59-44646 von Tada et al. oder der japanischen Patentveröffentlichung JP-A 64-001429 von einem der vorliegenden Erfinder entnommen werden kann, welche die Blindleistungsausgabe von dem selbstkommutierenden Inverter durch Regulieren einer Gleichspannung an dem selbstkommutierenden Inverter steuert.
Solche eine Vorrichtung umfaßt typischerweise einen Inverter einschl. steuerbarer Gleichrichterelemente, wie z.B. Gate-Ausschaltthyristoren (im weiteren bezeichnet als GTO = gate turn-off) und Dioden, einen parallel mit dem Inverter verbundenen Gleichspannungskondensator, eine zwischen dem Tnverter und der Wechselstromsystem-Leistungsquelle verbundenen Drosselspule und eine Einrichtung zum Regulieren der Gleichspannung an dem inverter.
Nunmehr hat solche ein Vorrichtung bekannterweise ein folgendes Problem. Nämlich wird der Gleichspannungskondensator durch die Wechselstromsystem-Leistungsquelle aufgeladen, sogar wenn der Inverter nicht in Betrieb ist, nämlich dann, wenn die GTOs des Inverters nicht Elektrizität leiten. Das kommt daher, daß die Dioden des Inverters einen Gleichrichterschaltkreis bilden. Die Gleichspannung über dem Gleichspannungskondensator in diesem Fall ist gleich (1,41 x Vsy), wobei Vsy die Versorgungsspannung der Wechselstromsystem-Leistungsquelle ist. Wenn der Inverter in Betrieb genommen wird, um eine Blindleistung zu steuern, kann die Blindleistung wegen der Gleichspannung (1,41 x Vsy) über dem Gleichspannungskondensator, die anfangs vorhanden ist, nicht gesteuert werden und wird die Wechselstromsystem-Leistungsquelle beeinflussen. Bei dem Blindleistungs-Kontroller nach dem Stand der Technik ist ein Steuerkompensator vorgesehen, der eventuell den Effekt dieser ungesteuerten Blindleistung eliminiert. Jedoch nimmt der Betrieb des Steuerkompensators, um den Effekt der anfangs ungesteuerten Blindleistung zu eliminieren, eine endliche Menge von Zeit in Anspruch, abhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit des Steuerkompensators, so daß der widerige Effekt der zunächst ungesteuerten Blindleistung auf die Wechselstromsystem-Leistungsquelle nicht vollständig ignoriert werden kann und als ungelöstes Problem verbunden mit dem Blindleistungs-Kontroller nach dem Stand der Technik zurückbleibt.
DE-A-3 708 468 beschreibt ein reaktives Kompensationssystem für ein Wechselstrom-Leistungssystem, welches eine Energiequelle und eine Kompensationsvorrichtung umfaßt, um die Versorgung mit Energie auf oder die Absorption von Energie von dem Wechselstromsystem zu richten, um so Fluktuationen im Strom, die durch bestimmte Arten von Benutzern verursacht werden, zu glätten. Ein selbstkommutierender Inverter und ein Kondensator werden benutzt, um eine Gleichspannung zu erzeugen, welche als Steuersignal benutzt wird. Der an den selbstkommutierenden Inverter gelieferte Strom wird eingestellt in Übereinstimmung mit der Gleichspannung über dem Kondensator und der Leistung in dem Wechselstromsystem. "Thyristoren und ihre Anwendungen", gedruckt von Mills und Boons, 1972, beschreibt die Steuerung von Thyristoren durch Pulsbreitenmodulation.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Blindleistungs-Kontroller zu schaffen, der in der Lage ist, die anfänglich unsteuerbare Blindleistung zu eliminieren und dadurch eine Initialisierung der Blindleistungssteuerung zu realisieren. Ohne eine abrupte Störung in der Wechselstromsystem-Leistungsquelle.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe gelöst durch Schaffen eines Blindleistungs-Kontrollers zur Benutzung in einem Wechselstromsystem, umfassend: selbstkommutierende Invertereinrichtung einschl. steuerbarer Gleichrichterelemente und Dioden zum Erzeugen einer Blindleistung; einen Gleichspannungskondensator, der parallel mit der selbstkommutierenden Invertereinrichtung verbunden ist; eine Koppeldrosselspule, die zwischen der selbstkommutierenden Invertereinrichtung und einer Wechselstromsystem-Leistungsquelle verbunden ist; und eine Modulationssteuereinrichtung zum Erzeugen eines Modulationssteuersignals, welches Größen einer Amplitude und einer Phase anzeigt einer Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung, die eingestellt werden soll in Übereinstimmung mit einer Gleichspannung über dem Gleichspannungskondensator, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einstellen der Amplitude und der Phase der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung in Übereinstimmung mit dem Modulationssteuersignal von der Einrichtung zum Erzeugen desselben, wobei diese Einrichtung zum Einstellen beinhaltet: eine Referenzeinrichtung zum Aufstellen einer Referenzgleichspannung in Übereinstimmung mit der Wechselspannung von der Wechselstromsystem-Leistungsquelle und dem Modulationssteuersignal von der Erzeugungseinrichtung; eine Steuerkompensatoreinrichtung zum Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung und der Wechselspannung von der Wechselspannungssystem-Leistungsquelle in Übereinstimmung mit der durch die Referenzeinrichtung spezifizierten Referenzgleichspannung; und eine Phasensteuereinrichtung zum Einstellen der Amplitude und der Phase der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung in Übereinstimmung mit dem Modulationssteuersignal von der Modulationssteuereinrichtung und der durch die Steuerkompensatoreinrichtung bestimmten Phasendifferenz
Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klar werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Blindleistungs-Kontrollers nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung eines Modulationssteuersignals im Blindleistungs-Kontroller, der in Fig. 1 gezeigt ist, als Funktion der Zeit;
Fig. 3 ein detailliertes Blockdiagramm eines Inverters in dem in Fig. 1 gezeigten Blindleistungs-Kontroller; und
Fig. 4A und 4B sind Pläne einer Wechselstromsystemspannung, einer Inverterausgabespannung und von Zeitpunkten für die elektrische Leitung der Gleichrichterelemente in dem in Fig. 3 gezeigten Inverter.
Mit Bezug auf Fig. 1 wird eine Ausführungsform eines Blindleistungs-Kontrollers nach der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In Fig. 1 umfaßt der Blindleistungs-Kontroller einen Inverter 10 mit steuerbaren Gleichrichterelementen, einen parallel zu dem Inverter 10 verbundenen Gleichspannungskondensator 20, eine Koppeldrosselspule 30 und einen Koppeltransformator 40, welche zwischen dem Inverter 10 und einer Wechselstromsystem-Leistungsquelle 100 geschaltet sind, einen Gleichspannungsdetektor 50, der parallel verbunden ist mit dem Gleichspannungskondensator 20 zum Erzeugen eines Gleichspannungssignals VDC, einen Potentialtransformator 61 zum Erfassen einer Wechselstromsystemspannung, einen Detektor 70 für eine effektive Wechselstromsystemspannung, der verbunden ist mit dem Potentialtransformator 61 zum Erzeugen eines Systemspannungssignals VSY, einen Blindleistungs-Referenzregulator, im weiteren als Q-Referenzregulator bezeichnet, 81 zum Erzeugen eines Referenzblindleistungssignals QR, einen Referenzgleichspannungskalkulator 82 zum Erzeugen eines Referenzgleichspannungssignals VDCR aus dem Systemspannungssignal VSY, dem Referenzblindleistungssignal QR und einem Modulationssteuersignal M, was unten erklärt wird, einen Addierer 83 zum Berechnen eines Differenzsignals (VDC - VDCR), einen Steuerkompensator 84 zum Erzeugen eines Phasendifferenzwinkels o zwischen einer Ausgabewechselspannung VIN des Inverters 10 und dem Systemspannungssignal VSY von dem Differenzsignal (VDC - VDCR), einen Phasencontroller 85 zum Einstellen von Zeitspannen von elektrischer Leitung der steuerbaren Gleichrichterelemente des Inverters 10 in Übereinstimmung mit dem Phasendifferenzwinkel o und dem Modulationssteuersignal M, und ein Modulationsregulator 87 zum Erzeugen des Modulationssteuersignals M aus dem Gleichspannungssignal VDC und dem Systemspannungssignal VSY.
Der Modulationsregulator 87 umfaßt einen Startmodulationsregulator 871 zum Erzeugen eines Startmodulationssteuersignals MST aus dem Gleichspannungssignal VDC und dem Systemspannungssignal VSY, einen Laufmodulationsregulator 872 zum Erzeugen eines Laufmodulationssteuersignals MSS, einen ersten Addierer 874 zum Berechnen einer Differenz (MSS - MST), ein Verzögerglied 874 zum Verzögern der Differenz (MSS - MST) von dem Addierer 874, und einen zweiten Addierer 876 zum Berechnen der Menge ((MSS - MST) + MST) wie dem Modulationssteuersignal M.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ändert sich das Modulationssteuersignal M schrittweise vom Startwert MST zu dem Laufwert MSS innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne vom Start des Betriebs aufgrund der Wirkung des Verzögerungsglieds 875. Hier wird das Laufmodulationssignal MSS so bestimmt, daß die entsprechende Blindleistung Q gleich dem Wert des Referenzblindleistungssignals QR ist und wird so gesetzt, daß es größer ist als das Startmodulationssignal MST, um das Gleichspannungssignal VDC nicht auf einen unnötig hohen Wert zu heben. Die letztere Vorsichtsmaßnahme wird deshalb unternommen, weil bei dem Blindleistungs-Kontroller je kleiner das Modulationssteuersignal M ist, desto größer das Gleichspannungssignal VDC sein muß, wenn der Inverter 10 in Betrieb ist, für einen gegebenen Wert der Blindleistung Q.
Fig. 3 zeigt einen Detailaufbau des Inverters 10 in dieser Ausführungsform. Der Inverter 10 benutzt GTOs GU, GV, GW, GX, GY und GZ als steuerbare Gleichrichterelemente und Dioden DU, DV, DW, DX, DY und DZ. Eine Reihe von GTOs GU und GX parallel verbunden mit einer Reihe von Dioden DU und DX in entgegengesetzter Polarität ist vorgesehen für einen Anschluß R für die R-Phase der Ausgabewechselspannung. Ähnlich ist eine Reihe von GTOs GV und GY parallel verbunden mit einer Reihe von Dioden DV und DY in entgegengesetzter Polarität vorgesehen für einen Anschluß S für die S-Phase der Ausgabewechselspannung und eine Reihe von GTOs GW und GZ, parallel verbunden mit einer Reihe von Dioden DW und DZ in entgengesetzter Polarität ist vorgesehen für einen Anschluß T für die T-Phase der Ausgabewechselspannung. Die GTOs GU, GV, GW und die Dioden DU, DV, DW sind verbunden mit einem positiven Gleichspannungsausgabeanschluß PT, während die GTOs GX, GY, GZ und die Dioden DX, DY, DZ mit einem negativen Gleichspannungsausgabeanschluß NT verbunden sind.
Der Betrieb dieses Blindleistungs-Kontrollers wird jetzt beschrieben werden mit Bezug auf Fig. 4. Bei der Beschreibung des Betriebs des Blindleistungs-Kontrollers wird die Beschreibung der Teile, die identisch mit denen des herkömmlichen Kontroller sind, nämlich der Steuerbetrieb der Blindleistung Q durch den Inverter, ausgelassen werden, da sie gefunden werden kann in den oben zitierten Referenzen und da ebenfalls die Erklärung dieses Teils nicht gebraucht wird, um den eigentümlichen Teil der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
Das Gleichspannungssignal VDC, das die von dem Gleichspannungsdetektor 50 erfaßte Spannung darstellt, und das Systemwechselstromspannungssignal VSY, das die von dem Detektor für effektive Wechselstromsystemspannung 70 erfaßte Spannung darstellt, werden eingespeist an den Startmodulationsregulator 871, der das Startmodulationssteuersignal MST berechnet nach:
wobei k eine Konstante ist. Da in dieser Ausführungsform das Gleichspannungssignal VDC in Beziehung steht mit der Ausgabewechselspannung VIN des Inverters 10 über die Beziehung:
VIN = k VDC M ... (2)
entspricht die Gleichung (1) dem allgemeinen Ausdruck für die Blindleistung Q, der gegeben ist durch:
wobei X die Impedanz der Kombination der Koppeldrosselspule 30 und dem Koppeltransformator 40 mit Q = 0 und φ = 0 ist. Mit anderen Worten erzeugt der Startmodulationsregulator 871 das Startmodulationssteuersignal MST, welches die Blindleistung Q gleich Null macht. Dann wird, wie oben erklärt, der Wert des Modulationssteuersignals M schrittweise variiert von dem des Startmodulationssteuersignals MST zu dem des Laufmodulationssteuersignals MSS, wie in Fig. 2 gezeigt.
Das Modulationssteuersignal M von dem Modulationsregulator 87 sowie das Systemspannungssignal VSY von dem Detektor für effektive Wechselstromsystemspannung und das Referenzblindleistungssignal QR von dem Q-Referenzregulator 81 werden eingespeist an den Referenzgleichspannungskalkulator 82, der das Referenzgleichspannungssignal VDCR berechnet nach:
Der Addierer 83 berechnet eine Differenz zwischen dem Gleichspannungssignal VDC von dem Gleichspannungsdetektor 50 und dem Referenzgleichspannungssignal VDCR von dem Referenzgleichspannungskalkulator 82 und speist das resultierende Differenzsignal (VDC - VDCR) an den Steuerkompensator 84 ein, der den Phasendifferenzwinkel φ auf der Basis des Differenzsignals (VDC - VDCR) von dem Addierer 83 bestimmt.
Dieser Phasendifferenzwinkel φ sowie das Modulationssteuersignal M von dem Modulationsregulator 87 werden an den Phasenkontroller 85 eingespeist. Bei diesem Blindleistungs-Kontroller wird die Amplitude der Ausgabewechselspannung VIN des Inverters 10 gesteuert durch Einstellung von Zeitspannen der elektrischen Leitung bei den GTOs des Inverters 10 durch den Phasenkontroller 85. Der Phasenkontroller 85 stellt die Zeitspanne der elektrischen Leitung der GTOs so ein, daß es eine Lücke der Breite 2 α in der Mitte der normalen 180º-Leitungszeitspanne jedes GTOs gibt, wo ein Steuerwinkel α in bezug steht mit dem Modulationssteuersignal M durch die Beziehung:
Fig. 4A zeigt den Fall, bei dem α =0º, der auftritt, wenn M=1 ist, was identisch mit der Situation des herkömmlichen Blindleistungs-Kontrollers ist. Andererseits zeigt Fig. 4B den Fall, bei dem α ≠0º, der auftritt, wenn M≠1 ist. In Fig. 4B wird die Erniedrigung der Amplitude des Ausgabewechselstromsignals VIN des Inverters 10, angedeutet durch die gestrichelte Linie in Kontrast zu der in dem α =0º-Fall, der wiederum in Fig. 4B durch die durchgezogene Linie gezeigt ist.
Als Resultat des gerade erklärten Betriebs eliminiert dieser Blindleistungs-Kontroller erfolgreich die anfänglich unsteuerbare Blindleistung wie folgt.
Wenn der Inverter 10 aktiviert wird, ist der Phasendifferenzwinkel φ von dem Steuerkompensator 84 gleich Null und das Modulationssteuersignal M von dem Modulationsregler 87 ist gleich MST, gegeben durch Gleichung (2), so daß der Phasenkontroller 85 die Zeitspannen der elektrischen Leitung der GTOs des Inverters so einstellt, daß die Blindleistung Q, die der Wechselstromsystem-Leistungsquelle 100 zugeführt wird, gleich Null ist. Somit gibt es keine Blindleistung, die der Wechselstromsystem-Leistungsquelle 100 anfänglich zugeführt wird, und dann wird der Wert der Blindleistung Q schrittweise erhöht auf den Wert, der gleich dem Referenzblindleistungssignal QR, spezifiziert durch den Q-Referenzregulator 81, ist, innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne, vorgegeben durch die Reaktionsgeschwindigkeit des Steuerkompensators 84.
Somit ist es möglich, bei diesem Blindleistungs-Kontroller die anfänglich unsteuerbare Blindleistung zu eliminieren und dadurch eine Initialisierung der Blindleistungssteuerung zu realisieren ohne eine abrupte Störung auf der Wechselstromsystem-Leistungsquelle.

Claims

1. Blindleistungs-Kontroller zur Benutzung in einem Wechselstromsystem, umfassend:

eine selbstkommutierende Invertereinrichtung (10), die steuerbare Gleichrichterelemente und Dioden zum Erzeugen einer Blindleistung beinhaltet;

einen parallel mit der selbstkommutierenden Invertereinrichtung verbundenen Gleichspannungskondensator (20);

eine Koppeldrosselspule (30), die zwischen die Selbstkommutierende Invertereinrichtung (10) und eine Wechselstromsystem-Leistungsquelle (100) geschaltet ist; und

eine Modulationssteuereinrichtung (87) zum Erzeugen eines Modulationssteuersignals, das Größen einer Amplitude und einer Phase einer Ausgabewechselspannung der Selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) anzeigt, die in Übereinstimmung mit einer Gleichspannung über dem Gleichspannungskondensator (20) einzustellen ist,

gekennzeichnet durch

eine Einstellungseinrichtung zum Einstellen der Amplitude und der Phase der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) in Übereinstimmung mit dem Modulationssteuersignal von der Modulationssteuereinrichtung (87), wobei die Einrichtung zum Einstellen umfaßt:

eine Referenzeinrichtung (82) zum Setzen einer Referenzgleichspannung in Übereinstimmung mit der Wechselspannung von der Wechselstromsystem-Leistungsquelle und dem Modulationssteuersignal von der Modulationssteuereinrichtung (87);

eine Steuerkompensatoreinrichtung (84) zum Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) und der Wechselspannung von der Wechselstromsystem-Leistungsquelle (100) in Übereinstimmung mit der durch die Referenzeinrichtung (82) spezifizierten Referenzgleichspannung; und

eine Phasen- und Amplituden-Steuereinrichtung (85) zum Einstellen der Amplitude und der Phase der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) in Übereinstimmung mit dem Modulationssteuersignal von der Modulationssteuereinrichtung (87) und der von der Steuerkompensatoreinrichtung (84) bestimmten Phasendifferenz.

2. Blindleistungs-Kontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationssteuereinheit (87) umfaßt:

eine erste Einrichtung (871) zum Erzeugen eines Startmodulationssteuersignals, das Größen der Amplitude und der Phase der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) anzeigt, welche in einem Starmoment des Blindleistungs-Kontrollers einzustellen sind;

eine zweite Einrichtung (872) zum Erzeugen eines Laufmodulationssteuersignals, welches Größen der Amplituden der Phase der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) anzeigt, die nach Verstreichen einer vorher bestimmten Zeitspanne nach dem Startmoment des Blindleistungs-Kontrollers einzustellen sind; und

eine dritte Einrichtung (875) zum Erzeugen des Modulationssteuersignals aus dem Startmodulationssteuersignal und dem Laufmodulationssteuersignal, welches sich schrittweise von dem Startmodulationssteuersignal im Startmoment zum Laufmodulationssteuersignal nach Verstreichen der vorherbestimmten Zeitspanne nach dem Startmoment ändert.

3. Blindleistungs-Kontroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung die Amplitude und die Phases der Ausgabewechselspannung der selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) so einstellt, daß die Blindleistung von der selbstkommutierenden Invertereinrichtung (10) im Startmoment des Blindleistungs-Kontrollers gleich Null ist.