DE4446864C2 - Abschaltverfahren für einen dreiphasigen Blindleistungssteller mit zwei Thyristorschaltern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abschaltverfahren für einen dreiphasigen Blindleistungssteller eines statischen Kompensators, der parallel zum Netz geschaltet ist und in nur zwei seiner drei Phasenleiter je ein Thyristorventil sowie drei Kondensatoren in Stern- oder Dreieckschaltung aufweist.

Die Netze der elektrischen Energieversorgung dienen in erster Linie der Übertragung von Wirkleistung. Erzeugte und ver­ brauchte Leistung müssen immer ausgeglichen sein, sonst kommt es zu Frequenzänderungen. Ebenso wie die Wirkleistungsbilanz muß auch die Blindleistungsbilanz stets so ausgeglichen sein, daß sich tragbare Spannungsverhältnisse im Netz ergeben. Die Blindleistung ist vor allem für das Spannungsniveau verant­ wortlich. Die Wirk- und Blindleistungsbilanz im Netz muß in jedem Augenblick so ausgeglichen werden, daß Spannung und Frequenz innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen.

Die Qualität der elektrischen Energieversorgung hängt weit­ gehend von den Blindleistungsverhältnissen im Netz ab. Die Betriebsspannung soll im ganzen Netz während des Normalbe­ triebs in spezifizierten Grenzen bleiben. Bei auftretenden Fehlern darf z. B. eine vorübergehende Spannungserhöhung nicht die Bemessungsgrenze der Netzbetriebsmittel überschreiten. Änderungen der Lastverhältnisse und Änderungen der Netzkonfi­ guration infolge von Fehlern und Schalthandlungen haben Span­ nungsänderungen im Netz zur Folge, die insbesondere bei nie­ driger Netzkurzschlußleistung sehr groß sein können.

Aufgrund steigenden Eigenbedarfs und begrenzten Netzaus­ baumöglichkeiten werden die Energieübertragungsnetze immer intensiver genutzt. Blindleistungsflüsse im Netz sind Haupt­ verursacher für Spannungsabfälle und zusätzliche Netzverlu­ ste.

Durch gezielten Einsatz von Blindleistungsmitteln, wie Kondensatoren und Spulen, können eine ausgeglichene Blindlei­ stungsbilanz sowie damit die Auswirkung auf Netzspannung und Netzverluste reduziert werden. Die unterschiedlichen dynami­ schen Anforderungen können mit schaltbaren oder regelbaren Blindleistungselementen abgedeckt werden. Eine kontinuierli­ che und dynamische Änderung ist jedoch praktisch nur mit Stromrichterschaltungen möglich. Statische Kompensatoren in Thyristortechnik stellen die derzeit wirtschaftlichste Lösung zur dynamischen Blindleistungskompensation dar.

Der statische Kompensator, auch als Static Var Compensator (SVC) bezeichnet, besteht aus einem oder mehreren parallel geschalteten induktiven und kapazitiven Zweigen, die über einen eigenen Transformator oder auch über die Tertiärwick­ lung eines Netztransformators an das Hochspannungsnetz ange­ schlossen werden. Der Einsatz eines eigenen Transformators bietet durch die Festlegung der Nennspannung auf der Sekun­ därseite die Möglichkeit, die Betriebsmittel optimal bezüg­ lich ihrer Strom- und Spannungsbeanspruchung auszulegen. In Mittelspannungsnetzen bis 30 kV kann auch ein direkter An­ schluß wirtschaftlich sein.

Die kapazitive Leistung wird über fest angeschlossene Konden­ satoren, auch als Fixed Capacitor (FC) bezeichnet, oder ge­ schaltete Kondensatoren, auch als Thyristor Switched Capaci­ tor (TSC) bezeichnet, erbracht. In dieser Anwendung wird nor­ malerweise hierzu ein Thyristorschalter verwendet, der aus mehreren in Reihe geschalteten, antiparallelen Thyristoren besteht. Der Kondensator muß dann mit einer Schutzdrossel versehen werden, um die Einschaltstromsteilheit zu begrenzen. Der Einsatz mechanisch geschalteter Kondensatoren unterliegt betrieblichen Einschränkungen. Um Ausgleichsvorgänge beim Einschalten so gering wie möglich zu halten und damit Überbeanspruchungen auszuschließen, muß der Kondensator beim Einschalten über einen Leistungsschalter stets entladen sein (z. B. über Entladewiderstand oder -wandler). Demgegenüber bietet ein Thyristorventil als Schalter den Vorteil, daß der Kondensator aus jedem Ladezustand und beliebig oft mit dem geringstmöglichen Ausgleichsvorgang zu- und abgeschaltet werden kann. Die hierzu erforderliche "Intelligenz" der Steuerung ist in Digitaltechnik leicht realisierbar.

Die induktive Leistung wird über Drosselspulen erbracht. Die­ se können entweder geschaltet oder mit einer entsprechenden Steuerung in der Grundschwingungsblindleistung auch geregelt werden (TCR, Thyristor Controlled Reactor). Hiermit kann die gesamte, ans Netz abgegebene Blindleistung des statischen Kompensators stufenlos im Rahmen der am Netzknotenpunkt erforderlichen kapazitiven oder induktiven Blindleistung ver­ stellt werden.

Die kontinuierliche Regelung eines TCR-Zweiges ist immer mit der Erzeugung von harmonischen Strömen verbunden, die durch den Einsatz von Filtern am Anschlußpunkt des TCR vom Übertra­ gungsnetz ferngehalten werden müssen. Die Erzeugung von Ober­ schwingungen kann nur dadurch völlig ausgeschlossen werden, daß der induktive Zweig gleich wie der kapazitive Zweig ge­ schaltet betrieben wird (TSR, Thyristor Switched Reactor). Die installierte induktive Blindleistung wird dann ebenfalls nur zu- oder abgeschaltet.

Neben den Komponenten wie Transformator, Induktivitäten, Ka­ pazitäten und Leistungshalbleiter sind Hoch- und Mittelspan­ nungsschaltgeräte, Kühleinrichtungen, Geräte für Steuerung, Regelung und Schutz sowie Hilfsenergieversorgung notwendig.

Der statische Kompensator kann grundsätzlich verschiedene Regelaufgaben erfüllen. Beim Einsatz in Übertragungsnetzen ist dies primär die Aufgabe der Spannungsregelung. Damit kann der statische Kompensator auch zur Begrenzung von betriebs­ frequenten Überspannungen beitragen, einen Beitrag zur Ver­ besserung der Netzstabilität liefern und auch Leistungspen­ delungen zwischen Teilnetzen bedämpfen.

In dem Aufsatz "Stromrichter für statische Blindstrom-Kompen­ satoren", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Siemens-Energie­ technik", Band 3, Heft 11-12, 1981, Seiten 353 bis 357, ist eine SVC-Anlage, bestehend aus einer thyristorgeschalteten Kondensatorbank (TSC) und einer thyristorgeregelten Drossel (TCR), beschrieben. Diese Blindleistungssteller der SVC-An­ lage sind jeweils dreiphasig aufgebaut, wobei die Phasen eines jeden dreiphasigen Blindleistungsstellers identisch aufgebaut sind. D.h., eine thyristorgeschaltete Kondensator­ bank (TSC-Zweig) besteht aus einem dreiphasigen Thyristorven­ til, das in einem Ventilgestell untergebracht ist und aus vielen Kapazitätseinheiten (Kannen) in Reihen- und Parallel­ schaltung, die in einem Rack untergebracht sind. Außerdem ist ein Ansteuer- und Überwachungssystem dargestellt und be­ schrieben.

Aus der DE 44 23 033 A1 ist ein dreiphasiger Blindleistungs­ steller der eingangs genannten Art bekannt, wobei zwei Phasen jeweils aus einem mittels eines Thyristorventils zuschaltbaren Kondensator und eine dritte Phase aus einem Kondensator bestehen.

Durch diesen Aufbau eines dreiphasigen Blindleistungsstellers wird ein Thyristorventil eingespart. Da ein dreiphasiger Blindleistungssteller ebenfalls Kühleinrichtungen, Geräte für Steuerung, Regelung und Schutz sowie Hilfsenergieversorgung aufweist, wird bei Einsparung eines Thyristorventils auch bei diesen Komponenten anteilmäßig gespart. Dadurch benötigt ein derartig aufgebauter dreiphasiger Blindleistungssteller weni­ ger Platz, wodurch sich der Platzbedarf einer SVC-Anlage, be­ stehend aus mehreren derartigen Blindleistungsstellern (TSR- Zweig, TSC-Zweig), erheblich verringert, so daß ein derarti­ ger Blindleistungssteller beispielsweise in einem Container untergebracht werden kann, wodurch man in Abhängigkeit der Leistung einen mobilen Blindleistungssteller bzw. eine mobile SVC-Anlage erhält.

Bei diesem dreiphasigen Blindleistungssteller werden die bei­ den Thyristorventile beim Löschen mit einer höheren Spannung belastet als sie bei herkömmlichen, in allen drei Phasen gleich aufgebauten Blindleistungsstellern, auftritt. Diese Spannung ist eine Mischspannung, die sich aus einer Gleich- und einer Wechselspannung zusammensetzt. Somit wird ein Teil der Einsparung (ein Thyristorventil mit zugehörigen Kompo­ nenten der Anlage) des Blindleistungsstellers durch einen aufwendigeren Aufbau der restlichen Thyristorventile wieder eliminiert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Abschalt­ verfahren für einen derartigen dreiphasigen Blindleistungs­ steller anzugeben, wodurch sich die Spannungsbelastung am erst löschenden Thyristorventil des Blindleistungsstellers erheblich verringert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zündsignale dieser beiden Thyristorventile derart zu einem Zeitpunkt unterbrochen werden, daß bei aufeinanderfolgenden Phasen im Drehrichtungssinn des Dreiphasensystems das in der Phasenfolge unmittelbar auf das erste Thyristorventil folgen­ de zweite Thyristorventil zuerst gelöscht wird. Durch diese festgelegte Steuerung der Abschaltreihenfolge wird die Span­ nungsbelastung am erstlöschenden Thyristorventil erheblich reduziert. Die Spannungsbelastung am zweitlöschenden Thyri­ storventil verändert sich dadurch nicht.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird ein Zeitfenster be­ stimmt, in dem der Zeitpunkt für die Unterdrückung der Zünd­ signale für die beiden Thyristorventile beliebig liegt. Die­ ses Zeitfenster beginnt bei einem Nulldurchgang eines Ventil­ stromes des zweitlöschenden Thyristorventils und endet am Nulldurchgang eines zeitlich nächstfolgenden Ventilstromes. Beim Vorliegen eines Abschaltsignals einer übergeordneten Regelung innerhalb dieses angegebenen Fensters löschen die Thyristorventile in der vorbestimmten Reihenfolge. Außerhalb dieses Zeitfensters werden bei Vorliegen eines Abschalt­ signals einer übergeordneten Regelung des statischen Kompen­ sators die Zündsignale für die beiden Thyristorventile nicht unterdrückt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele eines ein­ gangs genannten dreiphasigen Blindleistungsstellers schema­ tisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines bekannten Blindleistungsstellers, der als thyristorgeschaltete Kondensatorbank aufgebaut ist, die

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des bekannten Blindleistungsstellers, die

Fig. 3 zeigt in mehreren Diagrammen die zeitlichen Verläufe der Signale der Ausführungsform nach Fig. 1 ohne das erfindungsgemäße Verfahren, wobei in der

Fig. 4 die zeitlichen Verläufe bei Verwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens darstellt sind, die

Fig. 5 zeigt die zeitlichen Verläufe der Signale der Aus­ führungsform nach Fig. 2 ohne die Verwendung des erfindungsgemäßen Abschaltverfahrens, wobei die

Fig. 6 diese Signale bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

Die Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines dreiphasigen Blindleistungsstellers 2 einer nicht näher dargestellten sta­ tischen Blindleistungs-Kompensationsanlage an einem Dreh­ stromnetz. Dieser Blindleistungssteller 2 ist aus der DE 44 23 033 A1 bekannt. Dieser Blindleistungssteller 2 weist nur in den Phasen R und S jeweils einen Leistungsschalter 4 und 6, beispielsweise ein Thyristorventil, auf. Außerdem sind drei Kondensatoren 8 vorgesehen, die elektrisch in Dreieck geschaltet sind und mittels der Phasenleiter R, S und T mit den Phasen R, S und T des Drehstromnetzes verbunden sind. Ein derartig aufgebaut er Blindleistungssteller 2 wird auch als thyristorgeschalteter Kondensator TSC (Thyristor Switched Capacitor) bezeichnet. Die Thyristorventile 4 und 6 bestehen jeweils aus zwei antiparallelen Thyristorsäulen mit Beschal­ tungselementen und einer Thyristorelektronik. Der genaue Auf­ bau derartiger Thyristorventile ist allgemein bekannt und beispielhaft in dem eingangs genannten Aufsatz Stromrichter für statische Blindstrom-Kompensatoren" dargestellt und be­ schrieben. Die in diesem Ersatzschaltbild bezeichneten Si­ gnale: Ventilstrom i_ThR, i_ThS; Kondensatorspannung u_CRS, u_CST, u_CTR und Ventilspannung u_VR, u_VS sind in der Fig. 3 bzw. 4 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, wobei in der Fig. 3 der bisherige Abschaltvorgang und in der Fig. 4 die Abschaltung des TSCs unter Berücksichtigung des erfindungsgemäßen Abschaltverfahrens dargestellt sind.

Beim bisherigen Abschalten des Blindleistungsstellers 2 ver­ anlaßt ein Abschaltsignal einer übergeordneten Regelung der statischen Blindleistungs-Kompensations-Anlage die Unterdrüc­ kung der Steuersignale der Thyristorventile 4 und 6, so daß diese Thyristorventile 4 und 6 beim Stromnulldurchgang erlö­ schen. Dabei wird nicht darauf geachtet, welches Thyristor­ ventil 4 oder 6 zuerst löscht. Den dargestellten Signalver­ läufen der Ventilströme i_ThR und i_ThS der Fig. 3 ist zu ent­ nehmen, daß das Abschaltsignal der übergeordneten Anlagen- Regelung im Zeitfenster t_F generiert worden ist, da der Ven­ tilstrom i_ThR beim Zeitpunkt t_Rn erlischt. Das Zeitfenster t_F ist durch die Stromnulldurchgänge der Phasen bzw. Ventilströ­ me zu den Zeitpunkten t_Sp und t_Rn in diesem Beispiel willkür­ lich bestimmt. Das heißt, daß, wenn das Abschaltsignal nach einem beliebigen Strom-Nulldurchgang von der Anlagen-Regelung generiert wird, der Ventilstrom zuerst löscht, der den näch­ sten Stromnulldurchgang hat. Dadurch ist entweder die Phase R oder die Phase S zuerst löschend. In der Fig. 3 sind außer­ dem die zugehörigen Kondensatorspannungen u_CRS, u_CST, u_CTR und die Ventilspannungen u_VR und u_VS dargestellt. Diesen Dia­ grammen kann entnommen werden, daß die Kondensatorspannungen u_CRS, u_CST und u_CTR unterschiedliche Amplituden aufweisen und daß die Ventilspannungen u_VR und u_VS jeweils eine Mischspan­ nung, bestehend aus einer Gleich- und Wechselspannung, sind. Bei diesem dargestellten Fall, wobei zufällig die Phase R erstlöschend ist, tritt eine maximale Spannung am Thyristor­ ventil 4 von 2,366 pu auf, wobei ein pu gleich der Leiter- Leiter-Spannung des Drehstromnetzes ist. Die maximale Span­ nung am Thyristorventil 6 ist gleich 2,0 pu. Da bei der her­ kömmlichen Abschaltung die Abschaltreihenfolge der Thyristor­ ventile 4 und 6 nicht festgelegt wird, müssen diese Ventile 4 und 6 auf die maximale auftretende Ventilspannung von 2,366 pu ausgelegt werden.

Wird das erfindungsgemäße Abschaltverfahren verwendet, so werden die Zündsignale der Thyristorventile 4 und 6 derartig zu einem Zeitpunkt t_A unterdrückt, daß das im Drehrichtungs­ system des Dreiphasensystems an zweiter Stelle genannte Thy­ ristorventil 6 zuerst löscht. Das heißt, das Abschaltsignal der Anlagen-Regelung führt nicht sofort zur Unterdrückung der Zündsignale der Thyristorventile 4 und 6, sondern es wird zu­ nächst überprüft, welcher Stromnulldurchgang anliegt. Es wird also ermittelt, welches Zeitfenster t_F anliegt. Damit das Thyristorventil 6 der Phase S erstlöschend ist, dürfen die Zündsignale für die Thyristorventile 4 und 6 nur in bestimm­ ten Zeitfenstern t_F unterdrückt werden. Im dargestellten Bei­ spiel gemäß Fig. 4 muß das Abschaltsignal der Anlagen-Rege­ lung im Zeitfenster t_F, gekennzeichnet durch den Anfangszeit­ punkt t_Rp und durch den Endzeitpunkt t_Sp, beispielsweise zum Zeitpunkt t_A generiert worden sein. Dadurch erlischt der Ven­ tilstrom i_ThS als erster. Die zugehörigen Kondensatorspannun­ gen u_CRS, u_CST und u_CTR sind außerdem dargestellt, die wie beim herkömmlichen Verfahren ebenfalls unterschiedliche Am­ plituden aufweisen. Dadurch, daß eine Abschaltreihenfolge be­ achtet wird, ergeben sich andere Ventilspannungsverläufe u_VR und u_VS, die immer noch einen Gleich- und einen Wechselspan­ nungsanteil aufweisen und deren maximaler Momentanwert sich erheblich verringert hat. Die maximale Amplitude am Thyristorventil 6 (erstlöschend) beträgt 1,366 pu und die maximale Amplitude am Thyristorventil 4 (Phase R) beträgt 2,0 pu. Somit tritt nur noch eine maximale Spannung von 2,0 pu auf, für die die Thyristorventile 4 und 6 maximal ausgelegt werden müssen.

Die Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild einer zweiten Ausfüh­ rungsform des dreiphasigen Blindleistungsstellers 2 einer statischen Blindleistungs-Kompensations-Anlage SVC (Static Var Compensator). Bei dieser Ausführungsform sind die Konden­ satoren 8 elektrisch in Stern geschaltet und die Thyristor­ ventile 4 und 6 sind ebenfalls in den Phasen R und S angeord­ net, damit ein Vergleich zur ersten Ausführungsform besteht. Die zugehörigen Signalverläufe sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt, wobei die Fig. 5 die Signalverläufe bei einem herkömmlichen Abschaltvorgang und die Fig. 6 diese Signal­ verläufe bei einem Abschaltvorgang unter Verwendung der fest­ gelegten Abschaltreihenfolge darstellen. Auch bei dieser Aus­ führungsform des Blindleistungsstellers 2 erhält man die gleichen maximalen Spannungsbelastungen der Thyristorventile 4 und 6. Die maximale Spannung am Thyristorventil 6 (erstlö­ schend) beträgt 1,366 pu und am zweitlöschenden Ventil 4 2,0 pu.

Mit dem erfindungsgemäßen Abschaltverfahren, wodurch eine vorbestimmte Abschaltreihenfolge eingehalten wird, tritt stets als maximale Ventilspannung eine Spannung von 2,0 pu auf, unabhängig davon, ob die Kondensatoren 8 des Blindlei­ stungsstellers 2 elektrisch in Dreieck oder in Stern geschal­ tet sind.

Sind die Thyristorventile 4 und 6 in den Phasen S und T bzw. T und R angeordnet, so wird gemäß dem erfindungsgemäßen Ab­ schaltverfahren das Thyristorventil in der Phase T vor der Phase S bzw. in der Phase R vor der Phase T zuerst gelöscht.

Claims (2)

1. Abschaltverfahren für einen dreiphasigen Blindleistungs­ steller (2) einer statischen Blindleistungs-Kompensations- Anlage, der parallel zum Netz geschaltet ist und in nur zwei seiner drei Phasenleiter je ein Thyristorventil (4, 6) sowie drei Kondensatoren (8) in Stern- oder Dreieckschaltung auf­ weist, wobei die Zündsignale dieser beiden Thyristorventile (4, 6) derart zu einem Zeitpunkt (t_A) unterdrückt werden, daß bei aufeinanderfolgenden Phasen (R,S; S,T; T,R) im Drehrich­ tungssinn des Dreiphasensystems das in der Phasenlage unmit­ telbar auf das erste Thyristorventil (4) folgende zweite Thyristorventil (6) zuerst löscht.

2. Abschaltverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Zeitfenster (t_F), in dem der Zeitpunkt (t_A) beliebig liegt, gebildet wird, das bei einem Nulldurchgang (t_Rp) eines Ventilstromes (i_ThR) des zweitlöschenden Thyristorventils (4) beginnt und am Nulldurchgang (t_Sp) des Ventilstromes (i_ThS) des erstlö­ schenden Thyristorventils (6) des Blindleistungsstellers (2) endet.