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Frequenz- und Leistungssteuerung (Netzkennliniensteuerung) von Netzverbänden
Beim Betrieb von Netzverbänden ist häufig die Aufgabe zu lösen, in den Kuppelleitungen
zwischen den einzelnen Netzen des Verbandes die Leistungen konstant zu halten oder
zu steuern. Beispielsweise werden diese Übergabeleistungen derart nach einem Fahrplan
gesteuert, daß während der verschiedenen Tageszeiten oder -stunden unterschiedliche
Energieflüsse selbsttätig eingestellt und gehalten werden.
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Ein Verfahren, um dieses Ziel zu erreichen, ist unter dem Namen Fahrplansteuerung
bekannt. Um es an dem einfachen Fall zweier Netze (Abb. r) kurz zu charakterisieren,
so ist das Wesentliche daran, daß das eine dieser beiden Netze., etwa das Netz A,
seine Maschinen die Netzfrequenz halten läßt, während das andere, B, seine Maschinen
so steuert, daß in der Kuppelleitung zwischen den beiden Netzen die gewünschte Übergabeleistung
fließt. Gewöhnlich wird mit der Durchführung dieser Aufgaben in jedem der beiden
Netze j e eine Maschine, die Führermaschine, beauftragt. Die Führermaschine des
Netzes A ist die Fiequenzmaschine des Netzverbandes; sie wird meist von Hand oder
durch entsprechende Einstellung ihres selbsttätigen Reglers isodromiert. Die Führermaschine
des Netzes B ist die Fahrplanmaschine; sie wird mittels eines in die Kuppelleitung
eingebauten Leistungsmessers, meist mit Hilfe irgendwelcher Fernübertragungseinrichtungen,
auf Leistung gesteuert. Ihr Drehzahlpendel, sofern sie überhaupt ein solches besitzt,
ist außer Wirksamkeit gesetzt oder dient nur als Sicherheitsvorrichtung, um ein
Durchgehen der Maschine zu verhindern. Bei ringförmig geschlossenen oder vermasehten
Netzschaltungen wird auch gelegentlich statt der Vbergabeleistung in einer einzigen
Leitung die algebraische Summe mehrerer Übergabeleistungen, insbesondere die algebraische
Gesamtsumme aller über die Grenzen eines Netzes hinaus- oder hereinfließenden Leistungen,
die man zusammenfassend Austauschleistung oder Ein- und Ausfuhr nennen kann, konstant
gehalten, weil man dann entweder ganz ohne Quertransformatoren oder zum mindestens
ohne Leistungsregler für die Ouertransformatoren auskommt.
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Das Wesentliche an _ der Fahrplansteuerung ist nicht, wie der Name
vermuten läßt; daß die Übergabeleistung nach einem Fahrplan gesteuert, d. h. daß
ihr Sollwert beispielsweise mittels einer von einer Uhr bewegten Schablone je nach
der Tageszeit verändert wird, sondern vielmehr, daß die Übergabeleistung überhaupt
konstant gehalten oder gesteuert werden kann, und zwar dadurch, daß eine oder mehrere
Maschinen des Netzverbandes ganz unabhängig von der Frequenz ausschließlich nach
der Leistung geregelt werden. In einem nach dem Verfahren der Fahrplansteuerung
betriebenen Netzverband gibt
es daher im allgemeinen eine Maschine,
nämlieh die @runüiä'schi,he,@s.die, vollkommen unabhängig. von.-:ihrer- eigonen
oder irgend-,
einer anderen Leistung, ausschließlich nativ, der Frequenz gesteuert
wird, zweitens eine. oder mehrere Maschinen, die ausschließlich;.i auf bestimmte
Leistungssollwerte (Übergabe= leistungen) gesteuert werden, und drittens Maschinen,
die insofern auf Drehzahl und Leistung gesteuert werden, als die Drehzahlen, die
sie halten, in Beziehung zu ihrer eigenen Leistungsabgabe oder -aufnehme stehen
(Maschinen mit Statik oder dauerndem Ungleichförmigkeitsgrad).
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Die ausschließliche Leistungssteuerung von Maschinen bringt die Gefahr
mit sich, daß das Gleichgewicht zwischen Leistungszufuhr ins Netz und Leistungsentnahme
aus dem Netz zuzüglich der Netzverluste gelegentlich gestört werden kann, weil die
Leistungsentnahme eine unbekannnte und zudem dauernd wechselnde Größe ist, deren
Veränderungen nur durch Überwachung der F re= quenz festgestellt werden können.
Maschinen mit reiner Leistungssteuerung; die sich um die Netzfrequenz nicht kümmern,
tragen also nicht nur nichts zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes im
Netz bei, sondern stören ihn sogar, wenn die frequenzabhängigen sonstigen Maschinen
des Netzes, vor allem die Frequenzmaschinen;nicht mehr in der Lage sind, die Leistungszufuhr
der Leistungsentnahme anzupassen und- damit unzulässige Frequenzanstiege oder abfalle
zu verhüten. Ein solcher Fall tritt u. a. bei dem oben betrachteten einfachen Beispiel
zweier nach- dem Verfahren der Fahrplansteuerung betriebener Netze dann ein, wenn
die Kuppelleitung zwischen den beiden Netzen unterbrochen wird, so daß keine Leistung
mehr- zwischen ihnen ausgetauscht werden kann. Die leistungsgesteuerte Führermaschine
(Fahrplanmaschine)' des Netzes B sucht dann trotzdem die vorgeschriebene Übergabeleistung
zu halten und macht, da dies nicht möglich ist, ihr Leistungssteuer ganz auf oder
ganz zu. Als Folge davon tritt eine Frequenzerhöhung oder -erniedrigung ein, deren
Maß sich nach der Leistungsfähigkeit der Fahrplanmaschine und ferner danach richtet,
wie stark sich die sonstigen mit Statik arbeitenden Maschinen des Netzes infolge
der .Frequenzänderung-be- oder entlasten. Um diese Gefahrenquelle zu beseitigen,
sind meist besondere Schutzeinrichtungen notwendig, die im Falle einer solchen Unterbrechung
der Verbindungsleitung zwischen den beiden Netzen dieFahrplansteuereinrichtungenaußer
Betrieb setzen.
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Da somit das Fahrplansteververfahren nicht befriedigen kann,- ist
bereits für den Fall von zwei synchron miteinander gekuppelten Netzen der Vorschlag
gemacht worden, die Führermaschinen in beiden Netzen nach ..tlgr iTTbergabeleistung
zu regeln und dabei zu-,#ich auch die Frequenz in dem Sinne mit berücksichtigen,
daß die ÜbergabeleistungszeÜelung die Frequenzhaltung durch das damit beauftragte
Frequenzwerk erleichtert. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Lastvergleichseinrichtung
bei Abweichungen der Übergabeleistung von ihrem Sollwert an die Führermaschinen
in den beiden Netzen Auf-und Abimpulse, über die Bontakte eines FrequenzreIais sendet,
das diese Impulse nur bei augenblicklich richtiger Frequenz an beide Netze weiterleitet,
bei zu hoher oder zu tiefer Frequenz dagegen nur an das Netz, bei dem sie zugleich_im
Sinne der Wiederherstellung des Frequenzsollwertes wirken. Das Frequenzwerk kann
nach diesem Vorschlag dann auch ganz entbehrt werden, wenn die. Führermaschinen
in den beiden Netzen nicht nur bei Übergabeleistungsabweichungen, sondern auch bei
Frequenzabweichungen so geregelt werden, daß die Regelung der einen Größe die Beibehaltung
oder Einregelung der anderen Größe unterstützt. Zu diesem Zwech werden die Lastvergleichseinrichtung
und das Frequenzrelais mit weiteren Kontakten -versehen; mit denen das Frequenzrelais
nun seinerseits bei Frequenzabweichungen auch Auf- und Abimpulse an die Führermaschinen
in den beiden Netzen sendet, die die Lastv ergleichseinrichtung nur bei augenblicklich
richtiger Übergabeleistung an beide Netze weiterleitet, bei zu großer oder zu kleiner
Übergabeleistung dagegen nur an das Netz, bei dem sie zugleich im Sinne der Wiederherstellung
des Übergabeleistungssollwerts wirken.
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So groß der Fortschritt ist, den dieses Verfahren durch die Vereinigung
von Frequenz-und Übergabeleistungsregelung und die symmetrische Behandlung der beiden
Netze gegenüber dem Fahrplansteuerv erfahren be-deutet, so ist sein praktischer
Wert doch nur beschränkt. Da die Frequenz- und Übergabeleistungsrelais lediglich
feststellen, ob die beiden Regelgrößen auf ihren Sollwerten oder darüber oder darunter
liegen, nicht aber, wie groß ihre jeweiligen Abweichungen vom Sollwert sind, erlaubt
das Verfahren nur die Anwendung kleiner Regelgeschwindigkeiten. In dem Falle, daß
die Kuppelleitung ' zwischen den beiden Netzen unterbrochen wird, macht zwar die
Regeleinrichtung im Gegensatz zu den Verhältnissen bei der Fahrplansteuerung nichts
Falsches, weil die fehlerhaften Lastregelimpulse infolge der gleichzeitig entstehenden
Frequenzabweichung durch das Frequenzrelais sofort gesperrt werden, doch
sind
dann, da die Regeleinrichtung außer Wirksamkeit gesetzt ist, die beiden nun getrennten
Netze gewissermaßen führerlos, und die Frequenz stellt sich auf irgendeinen von
den Maschinenkennlinien abhängenden Wert ein. Dieser Nachteil macht. sich noch mehr
bemerkbar, wenn dis Verfahren in Netzverbänden mit mehr als zwei Netzen angewendet
werden soll, weil hier schon die Abtrennung eines der Netze von den übrigen genügt,
um den ganzen Betrieb in Frage zu stellen; denn der Ausfall des einen Netzes mit
seinem Leistungsbezug vom oder seiner Leistungslieferung an den Netzverband macht
allen übrigen Netzen die Einhaltung der vorgeschriebenen Übergabeleistungen unmöglich.
Außerdem steht der praktischen Anwendung des '\rerfahrens in Netzverbänden mit mehr
als zwei Netzen die Verwickeltheit der Relaisschaltung im Wege, so daß das Verfahren
für große Netzverbände keine befriedigende Lösung darstellt.
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Alle diese Mängel der bisher bekannten Verfahren treten noch deutlicher
hervor, wenn man diese Verfahren mit dem im folgenden beschriebenen nach vorliegender
Erfindung vergleicht. Denn dieses Verfahren ermöglicht es, in Netzverbänden aus
einer beliebigen Zahl unmittelbar über Leitungen oder Umspanner oder mittelbar über
synchrone Umformersätze miteinander gekuppelter Netze zugleich die Frequenz und
die Übergabe- oder Austauschleistungen zu regeln, ohne daß cla.-mit die Nachteile
der bisherigen Verfahren verbunden sind. Der Grundgedanke des neuen Verfahrens bestehf
darin, die Führermaschinen der einzelnen Netze durch Frequenz-Leistungs-Kennlinien
darstellbare Reziehungen zwischen der Drehzahl (F requenz) und den Austauschleistungen
zwischen den Netzen oder den Leistungsflüssen zu oder von anderen Netzverbänden
einregeln zu lassen. Es handelt sich dabei also darum, den bewährten Grundsatz der
Drehzahl- und Leistungsregelung von einzelnen Maschinen, der bekanntlich darin besteht,
geneigte Drehzahl-Leistungs-Kennlinien einzustellen, auf ganze Netze zu übertragen
mit dem Erfolg, daß ein ganzes Netz genau so arbeitet wie eine einzelne Maschine.
Dies heißt mit ander,n Worten: wie man die einzelnen Maschine, eines Netzes dadurch
steuern kann, daß man sie Drehzahlen (Frequenzen) halten läßt, die in (meist linearer)
Abhängigkeit von der i.eistung der Maschinen stehen, so kann man erfindungsgemäß
die einzelnen Netze eines Netzverbandes dadurch steuern, daß man sie Drehzahlen
(Frequenzen) halten läßt, die in (am einfachsten linearer) Abhängigkeit von ihrer
Cbergabeleistung an den Netzverband stehen. Das Verfahren soll wieder an dem einfachen
Beispiel zweier Netze erläutert werden. Dabei kann das eine der beiden Netze T Netz
A der Abb. r) wieder damit beauftragt werden, die Frequenz zu halten, während man
dem Netz B eine geneigte Frequenz-Übergabeleistungs-Kennlinie gibt, indem man. bei
einer seiner Maschinen die Drehzahlen, die ihr Regler zu halten hat, in Abhängigkeit
von der Leistung in der Kuppelleitung verändert. Die Frequenz-Übe-rgabeleistungs-KennlinieX
der so gesteuerten Maschine des Netzes B ist im linken Teil der- Abb. 2 dargestellt.
Rechts ist dagegen die isodromierte Kennlinie der Frequenzmaschine des Netzes A
gezeichnet. Dann tritt der Gleichgewichtszustand ein, wenn die Übergabeleistung
gerade so groß ist, wie sie sich aus der links dargestellten Kennlinie für die Frequenz
ergibt, die die Frequenzmaschine hält, wie dies in die Abb. a eingetragen ist. Das
Gleichgewicht ist stabil. Nimmt man nämlich an, die Übergabeleistung sei zu groß,
während die Frequenz den richtigen Wert habe, so heißt dies, daß die, Führermaschine
B den Befehl hat, eine niedrigere Frequenz zu halten als die, die gerade - der Vorschrift
entsprechend - herrscht. Sie wird daher ihr Leistungssteuer im Sinne geringerer
Leistungszufuhr ins Netz bewegen, d. h. die Energiezufuhr zur Kraftmaschine verringern,
womit die Übergabeleistung abnimmt. Infolge des Sinkens der Übergabeleistung wird
die Frequenzmaschine, veranlaßt durch ein kleines Nachgeben der Frequenz, Leistung
- übernehmen. Für die Führermaschine, des Netzes B hat die Abnahme der Übergabeleistung
zur Folge, daß der Frequenzwert, den sie zu halten hat, größer geworden ist. Sie
wird daher ihren Schließvorgang verlangsamen und endlich ganz einstellen, wenn die
Übergabeleistung sich so weit verkleinert hat, daß sie gerade den von der Frequenzmaschine
gehaltenen F requenzsollwert auch der Führermaschine des Netzes B vorschreibt. Damit
hat das Steuerorgan der Führermaschine des Netzes B sein Gleichgewicht wieder erreicht.
Im umgekebrten Fall, zu geringer Übergabeleistung, verläuft der geschilderte Vorgang
ganz entsprechend im entgegengesetzten Sinne. Die Übergabeleistung wird also konstant
gehalten, und jedes der beiden Netze deckt somit, wie von der Fahrplansteuerung
her bekannt ist, die innerhalb seiner Netzgrenzen anfallenden Laständerungen selbst.
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Statt eines der beiden beispielsweise betrachteten Netze einseitig
mit der Frequenzhaltung zu beauftragen, kann man auch nach Abb. 3 beiden Netzen
geneigte Frequenz-Ü bergabeleistungs-Kennlinien geben. Dann stellt sich das Gleichgewicht
bei derjenigen
Frequenz ein, bei der die Leistungsübergabe des einen
N etzest -z. B. des Netzes A, gleich der Leistungsübernahme des Netzes B ist. Die
Frequenz und der Leistungsaustausch, die sich dabei ergeben, hängen von der gegenseitigen
Lage und Neigung der beiden Kennlinien ab. Man kann es also durch entsprechende
Einstellung der Kennlinien leicht errgichen, daß die Sollfrequenz und der vereinbarte
Leistungsaustausch zustande kommen. Daß das Gleichgewicht wieder stabil ist und
jedes -Netz seine eigenen Laständerungen deckt, bedarf nach dem oben Gesagten keiner
weiteren Erläuterung.
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Nimmt man nun weiterhin nach Abb. ¢ 2,n, daß zwischen den Netzen
A und B ein Energieverbraucher L angeschlossen ist, so bleibt die
Frequenz nicht mehr konstant, wenn, sich L ändert. Verzichtet man auf die vollkommene
Frequenzkonstanz, so bietet aber das Verfahren die Möglichkeit, die beiden N etze
A und B in einem bestimmten Verhältnis LA : L$ an der von ihnen
gemeinsam aufzubringenden Leistung L zu beteiligen, wie dies nach dem oben bereits
Gesagten durch Analogie mit dem bekannten Verhalten einzelner Maschinen mit Statik
ohne weiteres verständlich ist.
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Abb. 5 zeigt die Frequenz-Übergabeleistungs-Kennlinien der beiden
Netze, wobei unter den Leistungen die zu! dem gemeinsamen Verbraucher hinfließenden
Leistungen LA und L$ zu verstehen sind. Der Deutlichkeit halber sei noch
ausdrücklich darauf hingewiesen, daß wieder jedes der beiden Netze die innerhalb
seiner Netzgrenzen liegenden Verbraucher selbst befriedigt, weil jedes von ihnen
nach außen hin konstante Leistungen (Übergabeleistungen) liefert, solange L sich
nicht ändert. In Abb. 5 sind die Leerlaufpunkte der Kennlinien, d. h. die Punkte,
bei denen das Netz als ganzes leer läuft, also keine Leistung nach außen abgibt
bzw. von außen aufnimmt, gleich hoch eingetragen. Unter dieser Voraussetzung ist,
wie von einzelnen Maschinen her bekannt, das Verhältnis LA : L$ durch die
Neigungen der beiden Kennlinien bestimmt. Die Leistung L braucht nicht unbedingt
eine Leistungsentnahme zu sein. Vielmehr gilt ganz das gleiche, wenn es sich bei
L um eine Energielieferung aus einem Kraftwerk, einem Netz oder Netzverband handelt.
Die Kennlinien der beiden Netze A und B nach Abb. 5 beziehen sich
also sowohl auf Leistungsübergaben wie -übernahmen genau wie in Abb. 3. Ist L =
o, so läuft das Netz - leer; kehrt L sein Vorzeichen um, so steigt die Frequenz
über den Leerlaufspunkt des Netzes (den Netzleerlaufpunkt), wie dies auch von Kraftmaschinen
her bekannt ist (z. B. Übergang von der Leistungsabgabe zum Leerlaufverbrauch bei
allen Kraftmaschinen und Leistungsumkehr bei Umformersätzen). Selbstverständlich
läßt sich dieses Verfahren auch auf beliebig viele Netze ausdehnen. In demhierzu
gezeichneten Beispiel- (Abb. 6 und 7) ist angenommen, daß die vier dargestellten
Netze A, B, C und D Leistung an den Netzverband Z abgeben. Die Netzleerlaufpunkte
der Frequenz-Übergabeleistungs-Kennlinien 'sind in diesem Beispiel verschieden hoch
gelegt. Wie von dem Betrieb einzelner Maschinen her ebenfalls bekannt ist, beteiligen
sich dann die Netze, wenn sich die; Frequenz ändert, an der damit zusammenhängenden
Änderung der .dem Netzverband Z insgesamt zufließenden Leistung in einem durch die
Neigung der Kennlinien bestimmten Verhältnis. Die Frequenzschwankungen in Abhängigkeit
des Belastungszustandes des gesamten Netzgebildes können durch möglichst kleine
Neigungen oder Statiken und durch genaue Ausführung und Arbeitsweise der Regelmechanismen
in engen Grenzen gehalten werden.
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Bei solchen Steuerverfahren, die mit einer Hilfsfrequenz oder einem
Taktvektor arbeiten, der allen beteiligten Maschinen des Netzes zugeführt wird,
wie sie in letzter Zeit bekanntgeworden sind, läßt sich die Erfindung ohne weiteres
auch anwenden. In den Diagrammen der Abb. 2, 3, 5 und 7 tritt dabei beispielsweise
an Stelle der Ordinatenbezeichnung Drehzahl (Frequenz) die Bezeichnung Schlüpfung,
d. h. Differenz zwischen der tatsächlichen Netzfrequenz und der Hilfsfrequenz bzw.
der Frequenz des Taktvektors. An der Leistungsverteilung, wie sie oben dargelegt
wurde, ändert sich dabei nichts. Mqn hat aber dabei den großen, leicht ersichtlichen
Vorteil, durch Nachregeln der Hilfsfrequenz stets genau die richtige Netzfrequenz
einstellen zu können.
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Daß in Störungsfällen das Verfahren nach der Erfindung alle beteiligten
Netze mit zur Lastübernahme oder Entlastung heranzieht, geht aus dem eben für den
Normalbetrieb Gesagten schon hervor. Der besondere Fall verdient aber wieder Erwähnung,
daäi sich -beispielsweise bei dem einfachen Netzverband der Abb. i - der Schalter
in der Leitung A-B öffnet. Während - -wie oben gezeigt wurde - die bisher bekannten
Verfahren unter diesen Umständen versagen oder zum mindesten nicht befriedigend
arbeiten, stellt sich bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ganz von selbst
die Netzleerlauffrequenz der Frequenz- (bzw. Schlüpfung-) Übergabeleistungs-Kennlinie
ein, da ja die Übergabeleistung gleich Null geworden ist. Die Führermaschine B arbeitet
dann
ganz von selbst als Frequenzmaschine ihres Netzes weiter, die
auf die Netzleerlauffrequenz isodromiert ist.
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Was nun die Mittel zur Verwirklichung des Verfahrens anlangt, so sind
sie aus dem Reglerbau von anderen Aufgaben her derartig geläufig, daß sie hier nicht
ausführlich aufgezählt und beschrieben zu werden brauchen. Beispielsweise kann ein
isodromierter Drehzahlregler bekannter Bauart verwendet werden, bei dem der Sollwert
der konstant zu haltenden Drehzahl durch das Wattmeter oder wattmetrische Relais
verstellt wird, das die Übergabeleistung mißt, was beispielsweise durch mittelbare
oder unmittelbare Änderung der Federspannung des Pendels' erfolgen kann. Ein anderes
zweckmäßiges Verfahren ergibt sich z. B., wenn man durch ein Kontaktwattmeter mit
Hilfe eines Servomotors die Federspannung des Pendels verstellt. Damit sich bei
jedem Leistungswert ein Gleichgewichtszustand am Wattmeter einstellen kann, bei
dem seine Kontakte frei spielen, wird die Spannung der Wattmeterrichtfeder gleichzeitig
mit der der Pendelfeder geändert. Diese Ausführungen stellen Beispiele dar, wie
bereits vorhandene Drehzahlregler durch Zusatzeinrichtungen, d. h. durch Wattmeter,
die z. B. mit Hilfe der ebenfalls. meist schon vorhandenen Drehzahlverstelleinrichtung
die Spannung der Pendelfeder verstellen, im Sinne der vorliegenden Erfindung benutzt
werden können. Sollen jedoch für den vorliegenden Zweck besondere Regler gebaut
werden, so können sie ä. B, auch so gestaltet werden, daß Drehzahl- und Leistungsmesser
gemeinsam direkt am Steuerventil des Reglers angreifen.