DE4410069A1 - Schaltungsanordnung zur oberschwingungsfreien Gleichspannungsversorgung eines Verbrauchers aus einer Wechselspannungsquelle durch einen gesteuerten Stromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung ent­ sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei konventionellen Schaltungsanordnungen zur Erstellung ei­ ner variablen einstellbaren, oberschwingungsfreien Gleich­ spannung aus einer Wechselspannung durch einen netzgeführten Stromrichter und einen diesem nachgeschalteten passiven Tief­ paßfilter läßt eine hohe Regelgenauigkeit wegen des damit verbundenen hohen Filteraufwands grundsätzlich nur mit ent­ sprechend geringer Regeldynamik erzielen und umgekehrt.

Zum Beispiel bei einer Stromversorgung von Magneten für Teil­ chenbeschleuniger ist sowohl eine hohe Regeldynamik als auch eine hohe Regelgenauigkeit der oberschwingungsfreien Verbrau­ cherspannung nötig.

Von Energieversorgungsbetrieben werden mehr und mehr strenge Forderungen zur Begrenzung von Störungen auf Telefonleitun­ gen, die durch Oberschwingungsströme in Hochspannungs-Gleich­ strom-Übertragungsleitungen verursacht werden, gestellt. Die­ ser Forderung kann durch die Verwendung von aktiven Gleich­ stromfiltern nachgekommen werden, ohne dabei unnötig die Kosten einer Hochspannungs-Gleichrichterstromstation zu erhö­ hen. Eine Hochspannungs-Gleichrichterstation erzeugt Ober­ schwingungen im Wechselstromnetz des angeschlossenen Netzes und in der ausgangsseitigen Gleichspannung. Die Oberschwin­ gungsströme im Wechselstromnetz werden mittels Filterkreisan­ ordnungen kompensiert. Auf der Gleichstromseite der Hochspannungs-Gleichrichterstation erzeugen der Gleichspan­ nung überlagerte Oberschwingungsspannungen Oberschwingungs­ ströme, die in der Gleichstromleitung fließen. Die Amplitude dieser Oberschwingungsströme sind von der Induktivität einer Glättungsdrossel und von der Impedanz des Gleichstromfilters abhängig. Diese Oberschwingungsströme verursachen Störungen in Telefonleitungen, die parallel zur Gleichstromleitung verlegt sind.

Die Oberschwingungsströme in der Gleichstromleitung einer Hochspannungs-Gleichrichterstation können mit Gleichstromfil­ tern auf der Gleichstromseite dieser Gleichrichterstation kompensiert werden. Aber anders als auf der Wechselstromseite der Gleichrichterstation haben Gleichstromfilter auf der Gleichstromseite der Gleichrichterstation nur die Funktion, den Oberschwingungsstrom zu reduzieren. Das heißt, mittels eines oder mehrerer Gleichstromfilter werden korrespondie­ rende Oberschwingungsströme abgesaugt. Diese Gleichstromfil­ ter sind annähernd so teuer wie die Wechselstromfilter auf der Wechselstromseite der Stromrichterstation. Durch diese Gleichstromfilter erhöhen sich die Kosten einer Hochspan­ nungs-Gleichstromübertragung, wodurch sich die Wettbewerbsfä­ higkeit der Hochspannungs-Gleichstromübertragung im Vergleich zu anderen Übertragungssystemen über eine große Entfernung verschlechtert.

Aufgrund der Toleranzen der Reaktanzen in den Stromrichter­ transformatoren, der Steuerwinkel in der Stromrichtergruppe sowie der Unsymmetrien in der Netzspannung treten neben den charakteristischen Oberschwingungen auch nichtcharakteristi­ sche Oberschwingungen auf. Diese nichtcharakteristischen Oberschwingungen sind nicht bekannt, wodurch auch keine Gleichstromfilter in der Gleichstromübertragungsleitung in­ stalliert werden können. Somit bleiben trotz Verwendung von Gleichstromfiltern auf der Gleichstromseite einer Hochspan­ nungs-Gleichrichterstation nicht charakteristische Oberschwin­ gungsströme in der Übertragungsleitung.

In dem Aufsatz "Active DC Filter for HVDC System - A Test In­ stallation in the Konti-Skan DC-Link at Lindome Converter Station", abgedruckt in IEEE/PES, 1992, Summer Meeting 469- 7 PWRD, Seiten 1 bis 8, wird ein kostengünstiger Gleichstrom­ filter, nämlich ein aktiver Gleichstromfilter, vorgestellt. Ein aktiver Gleichstromfilter ist eine Vorrichtung, die Ober­ schwingungsströme gleicher Amplitude aber in Gegenphase zu den durch die Hochspannungs-Stromrichterstation erzeugten Oberschwingungsströmen in die Gleichstromleitung der Hoch­ spannungs-Gleichrichterstation einspeist. Diese vom aktiven Gleichstromfilter erzeugten Oberschwingungsströme kompensie­ ren dann in der Gleichstromleitung die von der Hochspannungs- Stromrichterstation erzeugten Oberschwingungsströme fast vollständig. In der Fig. 2 dieses Aufsatzes werden die un­ terschiedlichen Installationsmöglichkeiten eines aktiven Gleichstromfilters vorgestellt und besprochen. Die Fig. 8 dieses Aufsatzes zeigt das Ersatzschaltbild eines Gleich­ stromfilters der Lindome Stromrichterstation in Schweden, be­ stehend aus einem passiven und einem aktiven Gleichstromfil­ ter. Der aktive Gleichstromfilter ist am Fuße eines bereits existierenden passiven Gleichstromfilters der Lindome Strom­ richterstation befestigt.

Der aktive Gleichstromfilter enthält eine optische Ober­ schwingungsmeßeinrichtung, eine Steuereinrichtung, eine Schutz- und Überwachungseinrichtung, einen pulsweitenmodul­ ierten Leistungsverstärker, einen Hochfrequenztransformator, einen Überspannungsableiter, eine Gleichspannungsversorgung und eine Kühleinrichtung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eine oberschwingungs­ freie Spannung erzeugt.

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

Vorteilhaft fällt bei der Schaltungsanordnung nach der Erfin­ dung der schaltungstechnisch geringe Aufwand ins Gewicht. An­ stelle von mehreren passiven Gleichstromfiltern bzw. eines aktiven Gleichstromfilters in Verbindung mit einem passiven Gleichstromfilter wird einfach eine Glättungsdrossel und eine Reihenschaltung, bestehend aus einer Kopplungsspule und einem Kopplungskondensator, in die Gleichstromübertragungsleitung installiert. Dabei muß aber darauf geachtet werden, daß die Kopplungsspule und die Glättungsdrossel magnetisch gekoppelt sind.

Mit diesen im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen erhält man eine Schaltungsanordnung, die eine oberschwingungsfreie Gleichspannung erzeugt. Somit wird mit viel weniger Aufwand und nur mit passiven Bauelementen das gleiche Ergebnis er­ zielt wie mit einem aktiven Gleichstromfilter.

Außerdem kann mit dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung auch der Aufwand des passiven Gleichstromfilters redu­ ziert werden. Wenn die passiven Bauelemente der erfindungsge­ mäßen Schaltungsanordnung auch auf die Oberschwingungsströme, die mittels des passiven Gleichstromfilters herausgefiltert werden sollen, abgestimmt werden, so kann dieser Gleichstrom­ filter reduziert bzw. ganz eingespart werden, wodurch sich die Kosten für die Gleichstromfilterung erheblich reduzieren.

Bei einer vorteilhaften Schaltungsanordnung sind die Glät­ tungsdrosseln und die Kopplungsspule übereinander angeordnet, wodurch nur noch Platz für den Kopplungskondensator benötigt wird. Somit erhält man eine besonders platzsparende Schal­ tungsanordnung. Außerdem kann man bestehende Hochspannungs- Stromrichterstationen nachträglich zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hochrüsten, ohne dabei viel Platz in An­ spruch zu nehmen. Auch der Installationsaufwand ist sehr ge­ ring.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine erfindungsgemäße Schaltungsanord­ nung zur Erstellung einer variablen einstellbaren, ober­ schwingungsfreien Gleichspannung schematisch veranschaulicht ist.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erstellung einer variablen einstellbaren, oberschwingungsfreien Gleichspannung U_dc aus einer Wechselspannung U_ac eines Drehstromnetzes 2. Diese Schaltungsanordnung besteht aus einer Hochspannungs- Stromrichterstation 4, einer Glättungsdrossel 6, einem Gleichstromfilter 10 und einer erfindungsgemäß Anordnung 12 zur Kompensation der Restwelligkeit der Gleichspannung U_adc der Stromrichterstation 4. Am Ausgang dieser Schaltungsanord­ nung ist eine Last 14 angeordnet. Die Last 14 kann eine Ohm­ sch-induktive Last sein, beispielsweise ein Magnet für einen Teilchenbeschleuniger. Die Last 14 kann auch eine Hochspan­ nungs-Wechselrichterstation einer Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungs-(HGÜ-)Anlage sein.

Die Hochspannungs-Stromrichterstation 4 besteht aus zwei 6- pulsigen steuerbaren Stromrichterschaltungen 16 und 18, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, und einem Stromrichter­ transformator 20, der eine Dreiphasen-Primärwicklung 22 und zwei Dreiphasen-Sekundärwicklungen 24 und 26 aufweist. Die Dreiphasen-Primärwicklung 22 ist mit dem Drehstromnetz 2 und die Dreiphasen-Sekundärwicklungen 24 und 26 sind jeweils mit einer Stromrichterschaltung 16 und 18 verknüpft. Die Dreipha­ sen-Sekundärwicklung 24 des Stromrichtertransformators 20 ist in Stern und die Dreiphasen-Sekundärwicklung 26 in Dreieck geschaltet. Durch diesen Aufbau erhält man eine 12-pulsige Stromrichterstation 4, die normalerweise Oberschwingungen der Ordnungszahlen k·p (charakteristische Oberschwingungen) er­ zeugt, wobei p die Pulszahl ist und k jeden ganzzahligen Wert annehmen kann. Die Höhe der Oberschwingungsströme hängt von den Parametern der Stromrichterstation 4 ab, insbesondere von der Kurzschlußimpedanz des Transformators 20.

Elektrisch parallel zum Ausgang der Stromrichterstation 4 ist ein Gleichstromfilter 10 angeordnet, das als Doppelfilter für die ersten beiden charakteristischen Oberschwingungen der 12- pulsigen Stromrichterschaltungen 16, 18 ausgestaltet ist. Zwischen dem Ausgang der Stromrichterstation 4 und dem Filter 10 ist die Glättungsdrossel 6 in der Übertragungsleitung 28 angeordnet. Die Glättungsdrossel 6 beeinflußt die Amplitude der Oberschwingungsströme in Abhängigkeit des Wertes seiner Induktivität. Am Ausgang des Filters 10 steht eine Gleich­ spannung U′_dc an, die oberschwingungsfrei ist, wenn die 12- pulsige Stromrichterschaltung 16, 18 nur Oberschwingungen 12. und 24. Ordnung erzeugen.

Die erfindungsgemäße Anordnung 12 besteht aus einer Glät­ tungsdrossel 30 und einer Reihenschaltung 32, die eine Kopp­ lungsspule 34 und einen Kopplungskondensator 36 aufweist. Die Reihenschaltung kann mit dem Eingang oder mit dem Ausgang der Glättungsdrossel 30 elektrisch leitend verbunden werden, wobei hier nur eine Möglichkeit dargestellt ist. Bei dieser Anordnung 12 sind die Kopplungsspule 34 und die Glät­ tungsdrossel 30 so zueinander angeordnet, daß sie magnetisch gut gekoppelt sind. Als Glättungsdrossel 6 und 30 und als Kopplungsspule 34 sind jeweils Luftspulen vorgesehen. Dadurch kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform die Kopplungs­ spule 34 axial auf die Glättungsdrossel 30 angeordnet werden, wodurch diese Glättungsdrossel 30 und die Kopplungsspule 34 platzsparend installiert werden können.

Aufgrund der Toleranzen der Reaktanzen in dem Stromrichter­ transformator 20, der Streukapazitäten der Transformatoran­ schlüsse, der Steuerwinkel in den Stromrichterschaltungen 16 und 18 sowie der Unsymmetrie in der Netzspannung U_ac des Drehstromnetzes 2 treten neben den charakteristischen Ober­ schwingungen der Ordnungszahlen k·p auch nichtcharakteri­ stische Oberschwingungen, beispielsweise der 3., 6., 9., 15., 18., 21., . . . Ordnung, auf. Da das hier gezeigte Gleich­ stromfilter 10 nur für Oberschwingungen der 12. und 24. Ord­ nung abgestimmt ist, enthält die Gleichspannung U′_dc am Aus­ gang des Filters 10 Oberschwingungen beispielsweise der 3., 6., 9., 15., 18., 21., . . . , 48. Ordnung. Diese Oberschwingun­ gen der Ausgangsspannung U′_dc des Filters 10 können mittels der erfindungsgemäßen Anordnung 12 kompensiert werden, so daß am Ausgang dieser Anordnung 12 eine oberschwingungsfreie Gleichspannung U_dc ansteht.

Die Oberschwingungsspannungen bewirken in der Glättungsdros­ sel 30 Oberschwingungsströme, die in der Kopplungsspule 34 Oberschwingungsströme induzieren, deren Phasenlage entgegen­ gesetzt zur Phasenlage der Oberschwingungsströme der Glät­ tungsdrossel 30 sind. Diese induzierten Ströme werden vom Kopplungskondensator 36 abgesaugt. Diese in der Kopplungsspu­ le 34 induzierten Oberschwingungsströme induzieren in der Glättungsdrossel 30 Oberschwingungsspannungen, die mittels ihrer entgegengesetzten Phasenlage zur Phasenlage der von der Stromrichterstation 4 generierten Oberschwingungsspannungen diese Oberschwingungsspannungen auslöschen, so daß am Ausgang der Glättungsdrossel 30 bzw. der Anordnung 12 eine ober­ schwingungsfreie Gleichspannung U_dc ansteht.

Mittels dieser erfindungsgemäßen Anordnung 12 erhält man eine aktive Gleichstromfilterung mit passiven Bauelementen 30, 34 und 36 mit einem einfachen mechanischen Aufbau. Gegenüber ei­ nem bekannten aktiven Gleichstromfilter sind kein Umrichter und keine Regelungs- und Meßeinrichtung erforderlich, wobei diese Komponenten wegen der verwendeten Hochspannung (400-500 kV) kompliziert und aufwendig sind. Auch zusätzliche Schutzeinrichtungen und Überspannungsschutz sind nicht erfor­ derlich. Außerdem paßt sich der lastabhängige Kompensations­ strom immer von selbst an seinen Sollwert (von der Stromrich­ terstation 4 erzeugte Oberschwingungsströme) an.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Erstellung einer variablen ein­ stellbaren, oberschwingungsfreien Gleichspannung (U_dc) aus einer Wechselspannung (U_ac) durch einen gesteuerten Strom­ richter (16, 18) und einem diesem nachgeschalteten Filter (10), dadurch gekennzeichnet, daß dem Filter (10) eine Anordnung (12), bestehend aus einer Glättungsdrossel (30) und einer Reihenschaltung (32), nachge­ schaltet ist, wobei die Reihenschaltung (32) eine Kopplungs­ spule (34) und einen Kopplungskondensator (36) aufweist und wobei die Kopplungsspule (34) mit der Glättungsdrossel (30) magnetisch gekoppelt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Glättungsdrossel (30) und als Kopplungsspule (34) jeweils eine Luftdrossel vorgese­ hen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die magne­ tisch gekoppelten Luftdrosseln übereinander angeordnet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsdrossel (30) ausgangsseitig mit der Reihenschaltung (32) elektrisch leitend verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsdrossel (30) eingangsseitig mit der Reihenschaltung (32) elektrisch leitend verbunden ist.