DE4323290A1 - Anordnung mit einem Schrägtransformator - Google Patents

Description

Durch eine starke Vermaschung der Hochspannungsnetze be­ steht die Notwendigkeit, den Energiefluß und seine Richtung beliebig oder nach Bedarf auf ausgewählten Übertragungs­ leitungen steuern zu können. Hierzu werden in der Regel so­ genannte Schrägtransformatoranordnungen eingesetzt. Sie be­ stehen im allgemeinen aus einem dreiphasigen Erregertrans­ formator und einem dreiphasigen Zusatztransformator. Die Eingangswicklung des Erregertransformators bezieht elek­ trische Leistung aus dem Netz. Die Ausgangswicklung ist üblicherweise mit einem Stufenschalter versehen. Sie lie­ fert die elektrische Leistung an die Eingangswicklung des Zusatztransformators, dessen Ausgangswicklung in Reihe zur Übertragungsleitung geschaltet ist und vom gesamten Lei­ tungsstrom durchflossen wird. Im Zusatztransformator wird so eine Zusatzspannung erzeugt, deren Betrag von der Stel­ lung des Stufenschalters abhängt. Ihre Phasenlage wird durch die Schaltungsart bestimmt, mit der Erreger- und Zusatztransformator dreiphasig verbunden sind. Die Spannung an der Ausgangswicklung des Zusatztransformators wird daher Schrägspannung genannt. Grundsätzlich lassen sich mit einer dreiphasigen Zusatzwicklung nur Phasenlagen erzeugen, die ein Vielfaches von 30 elektrischen Winkelgraden betragen.

Wie sich aus den Brown Boverie Mitteilungen 8/72, Seiten 376 bis 383 ergibt, wurden bereits viele Vorschläge zur Einstellung der erforderlichen Schrägspannung gemacht. Um eine vielfältige Einstellungsmöglichkeit zu bieten, ist dabei ein großer mechanischer Aufwand an Schalteinrich­ tungen zwischen Erreger- und Zusatztransformator notwendig. Die verwendeten mechanischen Schalter sind vergleichsweise langsam und bedürfen ständiger Wartung.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, dieses Steuerungsprinzip mit Leistungshalbleitern zu realisieren. Dabei speist der Erregertransformator einen Gleichrichter, welcher über einen Spannungszwischenkreis auf einen Wechselrichter arbeitet. Der Wechselrichter speist seinerseits den Zu­ satztransformator. Dies stellt lediglich eine elektronische Lösung der oben angeführten Variante dar.

Will man mit einer derartigen Anordnung die Wirk- und Blindleistung auf einer Übertragungsleitung gemäß einer vorgegebenen Größe und voneinander entkoppelt steuern, ist über die Messung mehrerer Netzgrößen hinaus eine genaue Kenntnis der Leitungsimpedanzen der vorliegenden Netz­ schleife erforderlich. In Hochspannungsnetzen treten außerdem unerwünschte Leistungspendelungen auf den Über­ tragungsleitungen auf. Diese lassen sich im Grundsatz mit Hilfe von Schrägtransformatoren, deren Schrägspannung in geeigneter Weise nach Betrag und Phase geregelt werden, bedämpfen. Schrägtransformatoren mit mechanischen Stell­ gliedern sind hierzu jedoch ungeeignet, da deren Stell­ geschwindigkeit nicht ausreicht. Bei den bekannten um­ richtergesteuerten Schrägtransformatoren ist eine Dämpfung nur dann zuverlässig möglich, wenn die Leitungsimpdanzen der vorliegenden Netzschleife genau bekannt sind. Dies ist jedoch in der Praxis nur selten der Fall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Steuerungsmöglichkeiten für umrichtergesteuerte Schräg­ transformatoren zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgehend von der Notwendigkeit den Energiefluß zwischen Netzteilen zu steuern, gingen die Erfinder einen neuen Weg. Unter der Annahme, daß die Netzspannung einen annähernd konstanten Betrag aufweist, ergibt sich die einfache Er­ kenntnis, daß zur Steuerung der Leistung lediglich der Strom beeinflußt werden muß. Dies ist nur mit leistungs­ elektronischen Anordnungen möglich. Damit ist es aber auch möglich, den Stromphasenwinkel im Zusatztransformator hoch­ dynamisch und kontinuierlich vor- und nacheilend zu steu­ ern, was einen Vierquadratenbetrieb ermöglicht. Die Erfin­ der lösten sich dabei von dem Modell der Schrägspannung, wonach sie nach weiteren Schritten zu der erfindungsgemäßen Lösung gelangten. Für diese Lösung sind keine näheren In­ formationen für die zu verbindenden Netzteile mehr nötig. Es genügt die Information über die Spannung am Transfor­ mator und den erwünschten zu übertragenden Energiefluß in den vier Quadranten. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend an­ hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Schrägregelung und

Fig. 2 eine weitere Anordnung mit detaillierter Darstellung der Umrichter und deren Ansteuerung.

Fig. 1 zeigt zwei elektrische Netze 1a, 1b, die über elek­ trische Leitungen 3a und 3b elektrisch miteinander verbun­ den sind. Mit 5a und 5b sind schematisch deren Leitungs­ impedanzen dargestellt. Zur Steuerung des Leistungsflusses zwischen den Netzen 1a und 1b ist für die Leitung 3b eine Anordnung 7 vorgesehen. Diese umfaßt im wesentlichen einen Zusatztransformator 9, einen Erregertransformator 11 mit einem nachgeschalteten Umrichter, welcher als stromge­ regelter Gleichrichter 13 ausgebildet ist, und einem Um­ richter, der als winkelgesteuerter und stromeinprägender Wechselrichter 15 ausgebildet ist. Beide Umrichter sind über einen Gleichstromzwischenkreis 17 miteinander ver­ bunden. Der Ausgang des Wechselrichters 15, der eine Wech­ selgröße führt, ist wiederum mit der Eingangswicklung des Zusatztransformators 9 verbunden. Bei der Anordnung 7 bil­ det also der Zusatztransformator 9 quasi das Stellglied und die übrigen Elemente den Steuerteil.

Zur Steuerung des Wirk- und Blindleistungsflusses auf der Leitung 3b wird nun davon ausgegangen, daß die Spannung auf der Leitung 3b annähernd konstant ist. Dies entspricht auch im wesentlichen der Praxis in vermaschten Netzen. Im übrigen können die beiden Netze 1a und 1b auch über andere hier nicht weiter dargestellte Wege miteinander vermascht sein. Ausgehend von einer vorgegebenen, auf der Leitung 36 zu übertragenden Scheinleistung bei konstanter Spannung braucht lediglich ein Einfluß auf den entsprechenden Strom, insbesondere nach Betrag und Phase, genommen werden. Dies erfolgt bei der vorliegenden Anordnung 7 dadurch, daß der Gleichrichter 13 über die Steuergröße α stromgeregelt und der Wechselrichter 15 über die Steuergröße β winkelge­ steuert sind. Dabei wird mit dem Gleichrichter 13 der Gleichstrom des Gleichstromzwischenkreises 17 entsprechend dem Betrag der komplexen Leistung und mit dem Wechsel­ richter 15 über seine Winkelsteuerung der Phasenwinkel der komplexen Leistung in den vier Quadranten eingestellt.

Interessant ist bei dieser Anordnung, daß ohne Kenntnis der Netz- und Leistungsdaten, lediglich mit dem Wissen der Netzspannung am Einsatzort und der zu übertragenden kom­ plexeren Leistung am Einsatzort direkt Planung, Projek­ tierung und Betrieb aufgenommen werden können. Die für die Schrägregelung benötigte Blindleistung braucht dabei nicht einem der Netze 1a, 1b entnommen zu werden, sondern wird direkt durch den Wechselrichter 15 mit dessen Winkelsteue­ rung erzeugt. Die vom Zusatz- und Erregertransformator 9 bzw. 11 benötigten Eigenleistungen sind wesentlich kleiner als die geforderte Leistungsflußänderung auf der zu steu­ ernden Leitung 3b. Bei Kenntnis der zu übertragenden kom­ plexen Leistung sind nur die am Einsatzort verfügbaren Meßwerte erforderlich. Zusätzliche Meßwerte von den Netzen 1a oder 1b werden nicht benötigt. Die Anordnung läßt sich auch bei solchen Fällen anwenden, bei denen der Spannungs­ betrag am Einsatzort von seinem normalen Betriebswert ab­ weicht. In diesem Fall wird die Spannungsabweichung dem Sollwert der Stromregelung aufgeschaltet, so daß das Pro­ dukt aus Spannungsbetrag und Stromsollwert konstant bleibt.

In zahlreichen Versuchen hat sich gezeigt, daß die Anord­ nung 7 gegenüber einer herkömmlichen Anordnung mit Trafo­ stufensteller wesentlich dynamischer ist, wobei der Ener­ giefluß auf der Leitung 3b kontinuierlich in vier Quadran­ ten einstellbar ist. Darüber hinaus ergibt sich noch ein weiterer wesentlicher Effekt. Da der vom Gleichrichter 13 erzeugte Gleichstrom konstant geregelt wird, ist auch die durch den Zusatztransformator 9 in der Leitung 3b fließende Scheinleistung ohne weiteres Zutun hochstabil und von Leistungsschwankungen der Netze 1a und 1b unabhängig. Ver­ suche haben weiter bewiesen, daß die Anordnung 7 gegeben­ enfalls derart gesteuert werden kann, daß Leistungspen­ delungen in anderen Netzzweigen wirksam gedämpft werden.

Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung der Anordnung 7, die direkt zwischen die zwei Netze 1a und 1b geschaltet ist. Zusatz- und Erregertransformator 9 bzw. 11 sind drei­ phasig ausgeführt. Der Gleichrichter 13 ist als Drehstrom- Brückenschaltung mit steuerbaren Ventilen 19 ausgebildet. Der Gleichstromzwischenkreis 17 weist eine Glättungsinduk­ tivität 21 auf. Der Wechselrichter 15 ist beispielhaft selbstgeführt mit Phasenfolgelöschung durch Löschkonden­ satoren 31 und Sperrdioden 33 aufgebaut. Die Ausbildungen des Gleich- und Wechselrichters 13, 15 sind beispielhaft anzusehen. Diese können gemäß dem Stand der Technik in beliebiger Art und Weise, beispielsweise auch mit abschalt­ baren Leistungshalbleitern, ausgeführt sein. Jedem Umrich­ ter ist ein Steuergerät 23a, 23b zur Erzeugung der Zündim­ pulse (bei Bedarf der Löschimpulse) zugeordnet, welche je­ weils zur Ansteuerung der Ventile 19 dienen. Die vorgege­ bene zu übertragende komplexe Leistung wird als Realteil Ps und Imaginärteil Qs dem übergeordneten Leistungssteuergerät 25 zugeführt. Daraus wird - gegebenenfalls unter Be­ rücksichtigung des vom normalen Betriebswert abweichenden Spannungsbetrages am Einsatzort - der Stromsollwert Ids, welcher einem dem Steuergerät 23a vorgeschaltetem Strom­ regler 27 zugeführt wird, gebildet. Der Stromregler 27 ver­ gleicht diesen Wert mit dem tatsächlich über einen Gleich­ stromwandler 29 gemessenen Stromistwert Idi und bildet daraus die Steuergröße α für den Gleichrichter 13. Das Leistungssteuergerät 25 bildet weiterhin das Winkelsignal β für das Steuergerät 23b des Wechselrichters 15. Um die Im­ pulse phasenrichtig zu steuern wird den Steuergeräten 23a, 23b noch zusätzlich die Spannung U am Einsatzort 3b zuge­ führt.

Vorzugsweise werden die zur Messung, Steuerung und Regelung benötigten Signale digital verarbeitet. Gegebenenfalls können dazu alle benötigten Steuergeräte und Regler mit Rechnern ausgeführt sein.

Dieser Aufbau zeigt im Detail, wie mit nur zwei Steuer­ größen, nämlich α und β, die komplexe Leistung auf der Übertragungsleitung nach Betrag und Phasenlage eingestellt werden kann. Diese komplexe Leistung kann auch nach den Erfordernissen eines stabilen Netzbetriebs kontinuierlich und hochdynamisch moduliert werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Energieflußsteuerung bei einer elek­ trischen Energieübertragung zwischen Energienetzen, bei der ein Zusatztransformator (9) zur Kopplung der Netze (1a, 1b) von einer über einen Erregertrafo (11) gespeisten Umrich­ teranordnung (7) mit Gleichzwischenkreis gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß der den Zusatztransformator (9) speisende Wechselrichter (15) stromgesteuert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gleichzwischenkreis als Gleichstromzwischenkreis (17) ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (15) winkelgesteuert und selbstgeführt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (15) für einen Betrieb in vier Quadranten ausgelegt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichrichter (13) stromgeregelt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zum Einstellen der zwischen den Netzen (1a, 1b) zu übertragenden Wirk- und Blindleistung die Winkelsteuerung des Wechsel­ richters (15) und/oder die Stromregelung des Gleichrichters (13) dient.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in Optimierung der Pendeldämpfung einem Leistungssteuergerät (25) ein Wert für die erforderliche Pendelleistung zuführ­ bar ist.