DE582014C

DE582014C - Arrangement for suppressing mutual oscillations of the synchronous machines connected to an electrical network

Info

Publication number: DE582014C
Application number: DES98703D
Authority: DE
Inventors: E H Dr-Ing Reinhold Rue Dr-Ing
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG; Siemens AG
Priority date: 1931-05-16
Filing date: 1931-05-16
Publication date: 1933-08-10

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM Ϊ0. AUGUST 1933ISSUED ON Ϊ0. AUGUST 1933

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

Vr 582014 KLASSE 2Id 2 GRUPPE Vr 582014 CLASS 2ID 2 GROUP

angeschlossenen Synchronmaschinenconnected synchronous machines

Patentiert im Deutschen Reiche vom 16. Mai 1931 abPatented in the German Empire on May 16, 1931

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der Stabilität beim Betriebe von elektrischen Kraftwerken oder ganzer Netze. Es sollen durch die Erfindung gegenseitige Pendelungen der einzelnen Synchronmaschinen (Generatoren oder Motoren) insbesondere bei plötzlichen Belastungsänderungen oder Stößen unterdrückt werden. In Abb. 1 der Zeichnung sind drei Kraftwerke 1, 2 und 3 mit je mehreren Synchronmaschinen dargestellt, die zu einem Kraftversorgungsnetz zusammengeschlossen sind. Wenn durch irgendeine Ursache, wie z. B. stoßweise Belastung, Abschalten von Leitungen, Kurzschlußvorgänge usw., ein plötzlicher Be- oder Entlastungsstoß Δ W auftritt, so verteilt sich derselbe auf die einzelnen Synchronmaschinen im ersten Augenblick genau proportional zu deren synchronisierender Leistung. Die syn-The invention relates to improving the stability when operating electrical power plants or entire networks. The invention is intended to suppress reciprocal oscillations of the individual synchronous machines (generators or motors), in particular in the event of sudden changes in load or shocks. In Fig. 1 of the drawing, three power plants 1, 2 and 3 are shown, each with several synchronous machines, which are connected to a power supply network. If by any cause such as B. intermittent loading, disconnection of lines, short-circuit processes, etc., if a sudden loading or unloading shock Δ W occurs, it is distributed to the individual synchronous machines in the first moment exactly proportional to their synchronizing power. The syn-

ao chronisierende Leistung der einzelnen Synchronmaschinen ist dabei bekanntlich diejenige Leistung (bzw. unter Berücksichtigung der konstanten Winkelgeschwindigkeit jenes Drehmoment), die das Polrad bei Abweichungen seiner räumlichen Phasenlage von der Sollage um die Winkeleinheit in diese zurückzuführen trachtet. Die synchronisierende Leistung W_s bzw. ihr Verhältnis zur Nennleistung W₀ ist dabei durch den Ausdruck gegeben :The chronizing power of the individual synchronous machines is known to be the power (or, taking into account the constant angular speed, the torque) that the pole wheel tries to return to the angular unit in the event of deviations in its spatial phase position from the nominal position. The synchronizing power W _s or its ratio to the nominal power W ₀ is given by the expression:

Ws __ E T_b Ws __ ET _b

W_n W _n

Darin bedeuten E die Netzspannung, /₀ den Maschinenstrom bei Nennleistung, J₁, den Blindstrom der Synchronmaschine, E_SQ die Streuspannung der Statorwicklung, E_m die Streuspannung des Ankerquerfeldes, beide Streuspannungen bezogen auf den Strom J₀. Jede Synchronmaschine sucht sich nun bei einem Stoß zu verzögern oder zu beschleunigen mit einem Wert, der ihrem individuellen Leistungsstoß direkt und "der kinetischen Energie ihrer Schwungmassen umgekehrt proportional ist. Da nun aber sämtliche Synchronmaschinen durch ihre synchronisierenden Kräfte an eine einheitliche Geschwindigkeit gebunden, sind, so können sie sich auf die Dauer nicht verschiedenartig beschleunigen oder verzögern, sondern sie können sich nach einiger Zeit nur mit einem gemeinsamen Wert beschleunigen, der gegeben ist durch den gesamten Leistungsstoß und die gesamte kinetische Energie sämtlicher Synchronmaschinen.Wherein E represents the mains voltage, / ₀ the machine current at nominal power, J _1, the reactive current of the synchronous machine, E _SQ the scattering voltage of the stator winding, E _{m is} the scattering voltage of the armature transverse field, both stray voltages based on the current J _0th Every synchronous machine tries to decelerate or accelerate itself in the event of a shock with a value that is directly proportional to its individual power shock and "inversely proportional to the kinetic energy of its centrifugal masses. But since all synchronous machines are bound to a uniform speed by their synchronizing forces, so they cannot accelerate or decelerate in different ways in the long run, but after some time they can only accelerate with a common value, which is given by the total power surge and the total kinetic energy of all synchronous machines.

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:*) The patent seeker stated as the inventor:

Dr.-Ing. e. h. Dr.-Ing. Reinhold Rüdenberg in Berlin-Grunewald.Dr.-Ing. e. H. Dr.-Ing. Reinhold Rüdenberg in Berlin-Grunewald.

Diese Verzögerung kurze Zeit nach dem Laststoß ist im allgemeinen sehr verschieden von der Anfangsbeschleunigung unmittelbar nach dem Laststoß. Der Unterschied führt zu Pendelungen der Synchronmaschinen gegeneinander, die so stark sein können, daß eine oder mehrere Maschinen außer Tritt fallen und das Netz durcheinanderläuft. Nur diejenigen Synchronmaschinen kommen nicht erheblich ins Pendeln, bei denen das Verhältnis der synchronisierenden Leistung zur kinetischen Energie übereinstimmt mit dem Mittelwert aller synchronisierenden Kräfte und aller kinetischen Leistungen sämtlicher Netzmaschinen. Denn für solche Maschinen ist die anfängliche und die spätere Verteilung der Überlastungsstöße die gleiche, und daher ist kein Anlaß zum Pendeln gegeben. Da durch das genannte Verhältnis von synchronisierender Leistung und kinetischer Energie der Maschine ihre Pendeleigenfrequenz bestimmt ist, so bleiben die gesamten Synchronmaschinen des ganzen Netzes dann gegeneinander in Ruhe, wenn ihre Eigenfrequenzen übereinstimmen. Die synchronisierenden Leistungen, ebenso die Eigenfrequenzen sind dabei zu beziehen auf jeden zufällig eintretenden Punkt des Netzes, an dem stoßweise Belastungen auftreten können. Für die Berechnung der synchronisierenden Leistung gemäß der oben angegebenen Formel tritt dann für die einzelnen Maschinen zu der Streuspannung der Statorwicklung f_s0 noch die Streuspannung hinzu, die durch die Reaktanz des Leitungsnetzes zwischen dem Lastanfallpunkt und der betreffenden Maschine gegeben ist.This delay shortly after the load shock is generally very different from the initial acceleration immediately after the load shock. The difference leads to oscillation of the synchronous machines against each other, which can be so strong that one or more machines fall out of step and the network becomes confused. Only those synchronous machines do not start to oscillate significantly, in which the ratio of the synchronizing power to the kinetic energy corresponds to the mean value of all synchronizing forces and all kinetic powers of all network machines. This is because the initial and the subsequent distribution of the overload surges is the same for such machines, and therefore there is no cause for oscillation. Since the mentioned ratio of synchronizing power and kinetic energy of the machine determines its natural oscillation frequency, the entire synchronous machines of the entire network remain at rest against each other when their natural frequencies match. The synchronizing power as well as the natural frequencies are to be related to each random point of the network at which intermittent loads can occur. For the calculation of the synchronizing power according to the formula given above, the stray voltage of the stator winding f _s0 is added to the stray voltage for the individual machines, which is given by the reactance of the line network between the load point and the machine in question.

Die synchronisierenden Kräfte jeder Synchronmaschine sind nur relativ schwach abhängig von der Wirkleistung, die die Maschine abgibt, jedoch stark abhängig von der Blindleistung, die sie ans Netz liefert. In der obigen Formel für die synchronisierende Leistung zeigt der zweite Summand den Einfluß des Blindstromes, während der Einfluß des Wirkstromes in dieser Formel nicht berücksichtigt ist. In Abb. 2 der Zeichnung ist eine Kurvenschar aufgetragen, die die Abhängigkeit der synchronisierenden Leistung W₅ im Verhältnis zur Nennleistung W₅, von der Blindleistung W_b und von der Wirkleistung W_w darstellt. Eine solche Kurvenschar kann für jede Synchronmaschine bestimmt werden, sie ändert sich nicht, solange die Netzspannung konstant bleibt. Es ist somit möglich, durch veränderte Blindleistung jeder Synchronmaschine, was durch Nachregeln der Erregung leicht erfolgen kann, die synchronisierende Leistung im weiten Bereich einzustellen. The synchronizing forces of every synchronous machine are only relatively weakly dependent on the active power that the machine delivers, but strongly dependent on the reactive power that it delivers to the grid. In the above formula for the synchronizing power, the second summand shows the influence of the reactive current, while the influence of the active current is not taken into account in this formula. A family of curves is plotted in Fig. 2 of the drawing, which shows the dependence of the synchronizing power W ₅ in relation to the nominal power W ₅ , the reactive power W _b and the active power W _w . Such a family of curves can be determined for each synchronous machine; it does not change as long as the line voltage remains constant. It is thus possible to adjust the synchronizing power in a wide range by changing the reactive power of each synchronous machine, which can easily be done by readjusting the excitation.

Gemäß der Erfindung ist nun die Verteilung der Blindleistungen auf die einzelnen Synchronmaschinen des Kraftwerkes bzw. des elektrischen Netzes derart gegeneinander abgestimmt, daß dadurch alle Maschinen ganz oder nahezu übereinstimmende Pendelungsfrequenz erhalten. Bekanntlich ist die Eigenschwingungszahl einer Synchronmaschine proportional der Quadratwurzel eines Bruches, in dessen Zähler die synchronisierende Leistung und in dessen Nenner das durch die rotierenden Massen der Maschine gegebene Schwungmoment steht. Solchen Synchronmaschinen, die relativ geringes Schwungmoment besitzen, das, bezogen auf die Nennleistung der Maschine, unter dem Mittel des ganzen Netzes liegt, wird man nur geringe voreilende Blindleistung oder gar nacheilende Blindleistung aufdrücken, um auch ihre synchronisierende Leistung gering zu machen. Man wird sie also untererregen. Maschinen mit relativ schweren Schwungrädern dagegen wird man verhältnismäßig viel Blindleistung zuteilen und wird sie entsprechend übererregen. Da die Schwungmassen ein für allemal festliegen, so ist es ein leichtes, aus den individuellen Kurvenscharen für die synchronisierenden Leistungen diejenige Verteilung der Blindleistung abzugreifen, die die Eigenfrequenzen für alle untereinander gleich macht.According to the invention, the distribution of the reactive power to the individual is now Synchronous machines of the power plant or the electrical network in such a way against each other matched so that all machines completely or almost identical pendulum frequency obtain. As is well known, the natural frequency of a synchronous machine is proportional the square root of a fraction, in whose numerator the synchronizing power and its denominator contains the moment of inertia given by the rotating masses of the machine. Such synchronous machines, which have a relatively low moment of inertia, which, based on the rated power of the machine, is below the mean of the entire network, there will be only a slight leading or even lagging reactive power Apply reactive power in order to also reduce its synchronizing power. So you will under-excite them. Machines with relatively heavy flywheels on the other hand one will allocate a relatively large amount of reactive power and will over-excite it accordingly. Since the centrifugal masses are fixed once and for all, it is easy to get out of the individual families of curves for the synchronizing services that distribution to tap the reactive power, which makes the natural frequencies the same for everyone.

Da die synchronisierende Leistung von der go Wirkleistung, also von der Belastung der Synchronmaschine, nur relativ wenig abhängt, so kann man zur annähernden Erreichung des gewünschten Zieles für jede Maschine mit einer mittleren Wirkleistung rechnen. Da die synchronisierenden Leistungen linear abhängig sind von der Blindleistung, so kann man dann den Verteilungsschlüssel für jede beliebige gesamte Blindleistung des Netzes festlegen. Man kann aber auch den individuellen Einfluß der Wirkleistung auf die synchronisierende Leistung gemäß dem Diagramm der Abb. 2 genau berücksichtigen, wenn man entsprechend der jeweiligen Belastung der einzelnen Synchronmaschinen eine Korrektur ihrer Blindleistung auf Grund der Kurvenschar der Abb. 2 durchführt. Diese Korrektur kann auch selbsttätig vorgenommen werden, indem etwa ein von der Wirkleistung gesteuertes Relais entsprechend auf die Erregung der Synchronmaschine und damit auf ihre Blindleistung einwirkt.Since the synchronizing power depends on the active power, i.e. the load on the synchronous machine, depends only relatively little, so one can approach the achievement of the desired For each machine, calculate with an average effective power. Since the synchronizing Power is linearly dependent on the reactive power, so you can then use the distribution key for any Define the total reactive power of the network. But you can also influence the individual the active power to the synchronizing power according to the diagram in Fig. 2 take into account exactly when considering the respective load on the individual synchronous machines corrects its reactive power on the basis of the family of curves in Fig. 2. This correction can also take place automatically be made, for example, by using a relay controlled by the active power accordingly acts on the excitation of the synchronous machine and thus on its reactive power.

Man kann die nach dieser Erfindung zweckmäßigste Verteilung der Blindleistung somit für jeden' Belastungszustand des Netzes rechnerisch festlegen. Man kann aber diese Berechnung auch automatisch von elektrischen Meßeinrichtungen durchführen lassen. Dies ist deshalb leicht möglich, weil die Abhängigkeit der synchronisierenden Leistung von der Blindleistung linear und von der Wirkleistung quadratisch ist und weil sich diese beidenThe most expedient distribution of the reactive power according to this invention can thus be achieved Determine arithmetically for each 'load condition of the network. But you can do this Have the calculation carried out automatically by electrical measuring devices. this is therefore easily possible because the dependency of the synchronizing performance on the Reactive power is linear and the real power is quadratic and because these two are

Einflüsse leicht durch elektrische Meßsysteme darstellen lassen. Man kann in einem Netzmodell, das sämtliche Synchronmaschinen enthält und sie durch Instrumente zur Darstellung bringt, die Kurvenschar (Abb. 2) abbilden und unmittelbar ablesen, welcher Anteil der Blindleistung jeder Synchronmaschine zuzuweisen ist. Durch Anwendung geeigneter Relais kann man diese Einstellung sogar von den Meßinstrumenten aus selbsttätig einregulieren lassen, wodurch man sicher ist, daß das gesamte Netz jederzeit im günstigsten Zustande der Blindleistungsverteilung ist. Alsdann kann irgendein Belastungsstoß die Synchronmaschinen nicht mehr ins Pendeln gegeneinander bringen, so daß die Stabilität des gesamten Systems außerordentlich erhöht ist. Bei den bisherigen Ausführungen ist vorausgesetzt, daß in elektrischen Netzen sämtliehe Synchronmaschinen auf die gleiche Eigenfrequenz abgestimmt werden. Es kommt nun häufig vor, daß man die Verteilung der Blindleistungen auf die verschiedenen Kraftwerke, besonders wenn diese sehr weit auseinander liegen und große zwischenliegende Reaktanzen besitzen, nach den Spannungsabfällen abstimmen muß, um im ganzen Netz möglichst gleiche Spannung zu erhalten. In diesem Falle hat die Abstimmung der Blindleistungen sämtlicher Synchronmaschinen unter sich nach der Eigenfrequenz den Nachteil, daß die Spannungshaltung ungünstig wird. Jedoch genügt es alsdann häufig, die Blindleistungen jedes Kraftwerkes für sich oder mehrerer Kraftwerke, die nur geringe zwischenliegende Reaktanzen besitzen, entsprechend der Gleichheit der Eigenfrequenzen innerhalb dieser Kraftwerke abzustimmen. Auch dann wird schon ein sehr erheblicher Vorteil gegenüber den nicht abgestimmten Eigenfrequenzen erzielt, weil man jetzt wenigstens vermieden hat, daß einzelne Synchronmaschinen eine starke, vom gesamten Mittelwert abweichende Eigenfrequenz besitzen, was bekanntlich für die Stabilität am ungünstigsten ist. Man gleicht also hierbei die Eigenfrequenzen nicht vollständig, sondern nur teilweise oder lokal aufeinander ab, erzielt aber damit auch schon erhebliche Betriebsvorteile hinsichtlich der Stabilität des Gesamtsystems.Easily display influences using electrical measuring systems. In a network model, one can which contains all synchronous machines and they are represented by instruments , map the family of curves (Fig. 2) and immediately read off which proportion the reactive power is to be assigned to each synchronous machine. By using more suitable Relay you can even adjust this setting automatically from the measuring instruments leave, whereby you can be sure that the entire network is always in the most favorable condition the reactive power distribution is. Then any shock load can affect the synchronous machines no longer cause them to oscillate against each other, so that the stability of the entire system is extremely increased. In the previous statements it is assumed that all of them in electrical networks Synchronous machines are tuned to the same natural frequency. It often happens that the distribution of the Reactive power to the various power plants, especially if they are very far apart lie and have large intermediate reactances, according to the voltage drops must vote in order to be in the whole network to get the same voltage as possible. In this case, the coordination of the reactive powers of all synchronous machines among themselves according to the natural frequency the disadvantage that the voltage maintenance is unfavorable will. However, it is then often sufficient to calculate the reactive power of each power plant for itself or of several power plants that only have low intermediate reactances, corresponding to the equality of the natural frequencies to vote within these power plants. Even then it will be a very significant one Advantage achieved over the non-tuned natural frequencies, because one has now at least avoided that individual Synchronous machines have a strong natural frequency that deviates from the overall mean value, which is known to be the most unfavorable for stability. So one is the same here the natural frequencies not completely, but only partially or locally from one another, but also achieves considerable operational advantages with regard to the stability of the Overall system.

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for the suppression of reciprocal oscillations of an electrical Network-connected synchronous machines in the event of load surges, characterized in that the reactive power in each case is distributed to the individual synchronous machines in such a way that the synchronous machines are completely or almost completely Obtain matching natural oscillation frequency.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the common Natural oscillation frequency set on the individual synchronous machines assuming an average active power is.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the influence of the active power on the natural oscillation frequency of the individual synchronous machines through automatic, reactive power in addition influencing facilities is taken into account.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the coordination of the individual synchronous machines to common oscillation frequency is carried out only within individual power plants or power plant groups in branched and in particular by longer long-distance So lines coupled to each other line networks.

For this purpose ι sheet of drawings