DE642677C - Regelung von Leistungsverteilung, Leistungsfluessen und Drehzahl (Frequenz) in ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzen oder -netzverbaenden - Google Patents

Description

In letzter Zeit sind für den Betrieb gekuppelter Netze (Netzverbände) Fahrplansteuerverfahren vorgeschlagen worden, bei denen ein Netz im Verband die Frequenz regelt, während alle übrigen Netze die Leistungsflüsse in den von ihnen ausgehenden: Kuppelleitungen oder deren algebraische Summe, die Ein- und Ausfuhren, nadi Fahrplänen konstant halten. Diese Fahrplannetze decken damit die innerhalb ihrer Grenzen anfallenden Laständerungen selbst und tragen auf diese Weise mittelbar auch, zur Frequenzhaltung bei. Die Fanrplansteuierunghat aber den großen Nachteil, daß die Frequenz- und die Leistungsregelung durch, den Frequenzregler der Führemaschine des frequenzhaltenden Netzes einerseits und durch die Fahrplanregler an den Führermaschinen der übrigen Netze anderseits mehr oder weniger unabhängig voneinander durchgeführt werden. Dies macht den Aufbau des ganzen Netzverhandes unsymmetrisch, weil das frequenz-. haltende Netz 'eine Art Vorrangstellung einnimmt, und es entstehen Schwierigkeiten bei der Zusammenarbeit des Frequenzreglers und der Fahrplanregler, die bei ihrer Verschiedenartigkeit schwer aufeinander abzustimmen sind. Vor allem aber läßt die Stabilität des ganzen Netzgebildes zu wünschen übrig. Zwar setzen sich die Fahrplannetze bei Vorgängen innerhalb ihrer Grenzen einem Ansteigen oder Absinken der Frequenz entgegen, indem sie deren Ursache beseitigen, sie kümmern sich aber nicht darum, welchen Wiert die Frequenz dabei annimmt. Bei Vorgängen außerhalb ihrer Grenzen verhindern sie durch die Fahrplanregler sogar, daß ihre Maschinen stabilisierend mitwirken können, oder machen deren· Beiträge zur Frequienzhaltung zum mindesten nachträglich wieder rückgängig. Hierzu kommt dann weiter "noch, daß bei einer Auftrennung des Netzverbandes infolge irgendwelcher Störungen die Fahrplannetze keine Frequienzmaschinie mehr haben und in diesen! Falle besondere Maßnahmen zur Umschaltung der .Fahrplanregler auf Frequenzregelung getroffen werden müssen.

Da somit das Fahrplansteuiervierfahren keine befriedigende Lösung für den Betrieb großer Netze oder Netzverbande darstellt, ist der Vorschlag gemacht worden, die Führermaschinen nach Normaluhren zu regem. Bei diesem Verfahren ist die Steuergröße, die die Maschinenregler beeinflußt, der Gang*

unterschied zwischen Normaluhren einerseits und vom Netz aus gespeisten Synchronuhren anderseits. Damit kann man die Führermaschinen so zusammenarbeiten lassen, daß. sie gemeinsam die Laständerungen über,· nehmen und die Frequenz im Mittel konstant' halten. Außerdem ergibt sich dabei für die Verbraucher die Möglichkeit, Synchronuhren anzuschließen. Der Nachteil der Gangregelung ist aber der, daß der Gangunterschied unter den Verhältnissen, wie sie in großen Netzen oder ' Netzverbänden vorliegen, selbst beträchtliche Lastverschiebungen erst nach ziemlich langer Zeit erkennen läßt, da beispielsweise eine Frequenzabweichung vom Sollwert von ^l/s % ^erst nach 3Y₃ Minuten einen Gangunterschied von 1 Sekunde hervorbringt. Deshalb ist mit diesem Verfahren außer der Zeitregelung bisher auch noch nicht mehr als eine nachträgliche und zudem mit Rücksicht auf die Frequenzhaltung nur mit geringer Geschwindigkeit durchführbare Lastregelung erreicht worden.

Es ist weiterhin auch der Vorschlag gemacht worden, parallel arbeitende Maschinen oder Kraftwerke nach einer von einem Hilfsgenerator erzeugten und den Maschinenreglern zugeführten Normalspannimg zu regeln. Bei diesem Verfahren werden die Winkel zwischen den Spannungsvektoren an den Maschinen und dem Normalspannungsvektor auf bestimmten einstellbaren Werten konstant gehalten, womit dann auch die Winkel zwischen den Maschmenspannungsvektoren selbst konstant bleiben. Dies gibt erstens die Möglichkeit, getrennte Netzteile ohne vorherige Synchronisierung zusammenzuschalten. Außerdem fügen die Regler im Parallelbetrieb zu den elektrodynamischen zusätzliche Synchronisierkräfte hinzu, die bei Störungen einem Außertrittfallen entgegenwirken. Weiterhin hat dieses Verfahren den Vorzug, daß alle danach geregelten Maschinen die Frequenz gut konstant halten, ohne daß, wie bei mehreren parallel arbeitenden Frequenzmaschinen, die Leistungsverteilung zwischen ihnen unbestimmt wird. Was diesem Verfahren aber wiederum fehlt, ist die Möglichkeit, anfallende Belastungsänderungen auf die verschiedenen Maschinensätze selbsttätig nach einem willkürlich wählbaren Schlüssel aufzuteilen, wie dies die unerläßliche Voraussetzung für einen geordneten' Netzbetrieb ist. Jede Laständerung wird nämlich bei dem vorgeschlagenen Verfahren nach Maßgabe der gegebenen natürlichen Maschinen- und den zwischen dem Lastanfallpunkt und den Maschinen liegenden Netzimpedanzen von den parallel arbeitenden Einheiten übernommen, ganz unabhängig davon, auf welchen Werten die Phasenwinkel der Maschinenspannungsvektoren gegenüber dem Normalspannungsvektor gehalten werden. Stellt man diese anders ein, so kann man dadurch zwar die gerade vorhandene ί-Gesamtbelastung in anderer Weise aufteilen, .]*^de neu hinzukommende Last verteilt sich aber immer wieder nach dem natürlichen ? Seniüssel.

Alle diese Nachteile der bisher bekannten Verfahren vermeidet das Regelverfahren nach der Erfindung, Es besteht darin, daß selbsttätige Regler Beziehungen zwischen den Winkelabweichungen der Maschinen- oder Netzspannungsvektoren von Normalspannungsoder Richtvektoren und den Maschinen- oder Netzleistungen einregeln, die durch Winkelabweichungs/Leistungs-Kennlinien nach Art der Drehzahl/Leistungs-Kennlinien darstellbar sind. Daß dieses Regelverfahren die Vorteile der bekannten Verfahren in sich vereinigt und darüber hinaus ganz neue Möglichkeiten bietet, zeigen die nachfolgenden Ausführungen.

In Abb. ι sind zwei parallel geschaltete Netze von einfacher Form dargestellt, deren Maschinen mit selbsttätigen Reglern der angegebenen Art ausgerüstet sein sollen. Wir wollen sie zunächst als Vektorregler bezeichnen, ohne weiter auf sie einzugehen, was erst später geschehen, !soll. Auch die Gesichtspunkte für die Wahl der von ihnen einzuhaltenden Kennlinien können erst später erörtert werden, wenn ein erster Überblick über die Verhältnisse im allgemeinen gewonnen ist. Es sei zu diesem Zweck vorläufig einfach angenommen, daß die Vektorregler in den beiden Netzen A und B die Winkel zwischen den Spannungsvektoren an den beiden Sammelschienen und dem für beide Netze gemeinsamen Richtvektor konstant halten, und zwar in beiden Netzen auf dem gleichen Wert. Da dann die Spannungsvektoren am Anfang und am Ende der Leitung gleichphasig sind, findet, wenn auch die Spannungen miteinander übereinstimmen, d.h. wenn die Spannungsvektoren auch dieselbe Größe haben, kein Wirkleistungsaustausch zwischen den Netzen A und B statt; es fließt nur von beiden Seiten her in die Leitung die zur Deckung der Leitungsverluste (Ableitungs- no Verluste, Stromwärmeverluste des Magnetisierungs- und Ladestromes) notwendige Leistung. Bei verschiedener Größe der gleichphasigen Spannungsvektoren am Anfang und am Ende der Leitung wird außer Blindleistung in geringem Maße auch Wirkleistung ausgetauscht. Von diesem kleinen Wirbleistungsanteil wollen wir im folgenden jedoch absehen, da er unwesentlich ist und da die Spannungen außerdem üblicherweise durch Spannungsregler konstant gehalten werden, deren Arbeitsweise bekannt ist. Die

Generatoren UA₁ bis QA₃ im Netz A decken den Leistungsbezug der Verbraucher Vy-L₁, VyI₂... in ihrem eigenen Netz, und die Generatoren GB₁ bis GB± im Netz B decken den Leistungsbezug der Verbraucher VB₁ und VB₂ ihres Netzes. Die Frequenz der beiden Netze ist stets gleich der konstanten Frequenz des Richtvektors, also immer konstant. Bei einer Änderung des Leistungsbedarfes in einem

ίο Netz, beispielsweise im Netzyl, stellen die Vektorregler immer wieder den vorgeschriebenen Winkel zwischen Sammelschienenspannungsvektor und. Rieht vektor ein, so daß. trotz der geänderten Gesamtleistung der Verbraucher und der" Generatoren des Netzes A keine Leistung durch die Verbindungsleitung fließt und die Drehzahl nach wie vor konstant bleibt. Jedes der beiden Netze ist also selbständig: jedes deckt seine eigenen Belastungsspitzeri und beteiligt sich auch an der Frequenzhaltung.

Soll nun statt der Leistung Null irgendeine andere Leistung zwischen den beiden Netzen fließen, soll beispielsweise eine bestimmte Leistung vom Netz A ins Netz B übertragen werden, so wird man an den Vektorreglern der Generatoren des Netzes A in später noch näher zu beschreibender Weise die KJennlinieneinstellung so ändern, daß der SammelscMenenspannungsvektor des Netzes A sich im Sinne der Voreilung gegenüber dem Richtvektor verdreht und in dieser neuen Lage zum Richtvektor festgehalten wird. Durch die Verbindungsleitung zwischen den beiden Net» zenyl und B "fließt dann eine Wirkleistung, die praktisch durch die gegenseitige Lage der SammelscHenenspannungsvektonen der Netze A und B zueinander und durch die Impedanz der Verbindungsleitung und der gegebenenfalls in ihr liegenden Umspanner, . Drosseln usw. bestimmt ist. Man kann diese Wirkleistung bekanntlich dem Winkel zwischen den Sammeis cHenenspannungsvektoren der Netze yl und B annähernd proportional setzen. Diese Annäherung wird um so besser, je größer die (induktiven oder kapazitiven) ßlindwiderstände der Übertragungsglieder gegenüber ihren Ohmschen Widerständen sind, was mit Rücksicht auf den Schutz gegen Kurzschluß und die Verringerung der Überiragungsverluste sowieso !angestrebt wird.

Auch in dem eben behandelten Falle gilt das oben über die gegenseitige Unabhängigkeit der Spitzendeckung und die Frequenzhaltung in den beiden Netzen Gesagte. Wird während des Betriebes plötzlich die Verbindungsleitung unterbrochen und hört infolgedessen die Wirkleistungsübertragung zwischen den beiden Netzen auf, so läuft der Betrieb in den beiden Netzen ungestört weiter. Die Vektorregler regeln die Generatorleistungen selbsttätig so nach, daß die vorgeschriebene Winkellage der Sammeis chienienspannungsvektoren zum Richtvektor und dadurch gleichzeitig auch die konstante Frequenz eingehalten wird, womit sich das neue Gleichgewicht zwischen Leistungszufuhr ins Niete und Leistungsentnahme aus dem Netz zuzüglich Verlust von selbst einspielt. Man ersieht hieraus, daß. die Teilnetze vollkommen symmetrisch zum Ganzen sind und keine Bevorzugung oder Benachteiligung des einen dem anderen gegenüber notwendig ist. Auch darauf ist nochmals hinzuweisen, daß der herausgefallene Schalter in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Netzen ohne weiteres wieder eingeschaltet, werden kann, wenn die Ursache der Störung behoben ist, ' da die Netze ja synchron bleiben und da die Sammelschienenspannungsvektoren nach wie vor ihre alte gegenseitige Lage zueinander haben, so daß, sich beim Wiedereinlegen des Schalters von selbst der frühere Wirkleistungsfluß zwischen den 'beiden wieder gekuppelten Netzen leinstellt.

Wir wollen nun untersuchen, wie die Gesamtleistung in 'einem der beiden Netze, beispielsweise im Netz .4, auf dessen einzelne Generatoren verteilt werden kann, ohne daß sich an dem Wirkleistungsaustausch zwischen den beiden Netzen A und B etwas ändert. In Abb. 2 ist zu diesem Zweck das Nietzyl mit seinen drei Generatoren GyI₁, GyI₂ und GyI₃, die über Umspanner auf 'eine nicht näher bezeichnete Sammelschiene oder -leitung speisen, mit den in einem Abzweig zusammengefaßten Verbrauchern V sowie der Leitung zum Netz B hin in größerem Maßstabe dargestellt. Zum Netz B soll eine konstante Wirkleistung N hinfließen. Die Gesamtbelastung des Netzes A setzt sich dann aus' dieser Leistung und der zeitlich schwankenden Energieientnahme der Verbraucher V zusammen; der Verlust im Netz ist mit in, der Leistungsentnahme der Verbraucher V enthalten gedacht. Die Impedanzen der Sammelschiene, der Verbindungsleitungen zwischen Generatoren und Umspannern sowie zwischen Umspannern und Sammelschienen sind im Vergleich zu den Impedanzen der Umspanner und der Fernleitung zum Netz B hin als vemachlässigbar klein vorausge-. setzt.

Bevor die Untersuchung der Wirkleistungsverteilumg begonnen wird, müssen einige Fest-Setzungen getroffen und einige neue Bezeichnungen eingeführt werden. Der Winkel zwischen dem Spannungsvektor an irgendeinem beliebigen Netzpunkt, z. B. der Sammelschiene, und dem Richtvektor soll im folgenden mit Deklination (= Winkelabweichung) oder Drehung bezeichnet werden. Es ist

nämlich, für die Behandlung der Wirkleistungsverteilung in verwickelten Netzgebilden zweckmäßig, statt von der gegenseitigen Lage der Netzspannungsvektoren, zueinander zu sprechen, die Richtungen der einzelnen Spannungsvektoren auf die Richtung des Richtvektors als Nullwert zu beziehen. Durch. Einführung des Begriffes der Drehung entfällt für die weitere Erörterung die Notwendigkeit der vektoriellen Betrachtungsweise, da die Drehung eine skalare Größe ist. Der , Verzicht auf die Vektordarstellung ist deswegen möglich, weil die Größe des Vektors, die Spannung, praktisch, nur für die Blindleistung von Bedeutung ist, die, wie schon erwähnt, hier nicht mit einbezogen zu werden braucht, für die Wirkleistung aber nur leine untergeordnete RoUe spielt. Aus Zweckmäßigkeitsgründen werde weiterhin festgesetzt, daß alle Spannungsvektoren der zusammengeschlossenen Netze unter allen möglichen Belastungsverhältnissen dem Richtvektor stets vorauseilen, so daß die Drehung stets durch eine positive Zahl ausgedrückt werden kann. Unter diesen Voraussetzungen stellt die Drehung gewissermaßen das Potential für den Wirkleistungsfluß im Netz dar, und zwar in dem Sinne, daß, die Wirkleistung von einem Netzteil höherer Drehung zu einem Netzteil niedrigerer Drehung fließt, wenn, wie dies gewöhnlich der Fall ist, die dazwischenliegende Impedanz positiv ist. Die Drehung ist somit das Gegenstück zur Spannung, die man sinngemäß das Blindleistungspotential im Netz nennen kann. Drehung und Spannung zusammen bestimmen eindeutig die Vektoren nach Richtung und Größe> und die Drehungs- und Spannungsunterschiede zwischen irgendwelchen Netzpunkten bilden als Potentialunterschiede ein Maß für die zwischen diesen Punkten fließenden Wirk- und Blindleistungen.

In dem an Hand der Abb. 1 beschriebenen Beispiel muß also die Sammelschiene des Netzes A eine größere Drehung als die Sammelschiene des Netzes B haben, wenn, wie dort angenommen, die Wirkleistung vom Netz A nach dem Netz B fließen soll. Das gleiche gilt unter derselben Voraussetzung auch für das Beispiel gemäß Abb. 2 Ganz unabhängig davon, wie' groß der Leistungsbezug der Verbraucher im Netz A ist und wie die Energieerzeugung auf die drei Generatoren verteilt wird, muß die Sammelschiene des Netzest, eine bestimmte Drehung aufweisen, durch die das Verhältnis des Netzest zum Netz .S und gegebenenfalls zu anderen Netzen C, D ... festgelegt wird, mit denen es auch noch gekuppelt sein kann. Auf die Gesichtspunkte, nach denen den einzelnen Netzen oder Speisepunkten ihre Drehungen zuzuweisen sind, wird noch kurz eingegangen werden.

Was nun die Einstellung der Drehungs/ Leistungs-Kennlinien an den drei Generatoren des Netzes A anbelangt, so kann sie beispielsweise so vorgenommen werden, wie es die Diagramme der Abb. 3 zeigen. Es ist dabei · angenommen, daß die Vektorregler aller drei Generatoren von den Generatorklemmen aus gespeist werden. Die an den Vektorreglern eingestellten, für die Klemmenspannungsvektoren geltenden Kennlinien sind in den Diagrammen gestrichelt eingezeichnet. Bei den Generatoren GA₁ und GA₂ sind diese Reglerkennlinien nach rechts hin abfallend gewählt, während die Kennlinie beim Generator G^l₃ nach rechts hin ansteigt. Auf den Sammelschienenspannungsvektor bezogen, ergeben sich daraus die stark ausgezogenen SammelscMenienkennlinien. Diese sind alle gegen die Reglerkennlinien im Uhrzeigersinn verdreht, weil zwischen' den Generatorklemmen und der Sammelschiene die Impedanzen der Umspanner liegen, die jeweils einen der Generatorleistung annähernd proportionalen Drehungsabfall hervorbringen. Beim Generator GA₃ soll nun die Reglerkennlinie gerade so stark nach rechts ansteigend gewählt sein, daß seine Sammelschienenkennlinie genau waagerecht verläuft. Dieser Generator sorgt dann dafür, daß an der Sammelschiene dauernd die Drehung herrscht, die nach dem Früheren dort konstant gehalten werden soll.

Die gesamte Netzlast Af -J- V verteilt sich nun auf die drei Generatoren in ganz ähnlicher Weise, wie es von den Diagrammen bei der Drehzahlregelung her bekannt ist. Die Gesamtleistung L_x-\- L₂-\- L₃ der drei Gene- locr ratoren ist gleich N -j-V. Ändert sich, die Netzlast, so übernimmt der Generator GA₃ die Leistungsänderung, während L₁ und ZL₂ unverändert bleiben. Der Generator GA₃ wirkt daher als Spitzenmaschine. Man kann ihn in Anlehnung an die bei der Drehzahlregelung gebräuchliche Bezeichnung Frequenzmaschine auch Drehungsmaschine nennen. Belastung und Entlastung der Generatoren G^l₁ und GA₂ erfolgt ganz entsprechend dem Verfahren bei der Drehzahlregelung durch Heben oder Senken der Regierund damit auch der Sammelschienenkennlinien.

Will man die Laständerungen nicht von einem Generator allein übernehmen lassen, sondern auf die parallel arbeitenden Einheiten nach einem bestimmten Schlüssel verteilen, so stellt man ebenfalls wie bei der Drehzahlregelung bei allen geneigte Kennlinien ein. Die Verteilung erfolgt dann nach Maßgabe der Kennlimenneigungen. Je steller eine

Kennlinie ist, desto weniger übernimmt der betreffende Generator von der Laständerung und umgekehrt.

Die praktische Handhabung der Leistungsverteilung erfolgt also ganz wie bei der Drehzahlregelung. Dabei darf aber der grundsätzliche Unterschied zwischen den beiden Regelverfahren nicht übersehen werden, daß bei der Drehzahlregelung immer die Reglerkennlinien maßgebend sind, bei der Drehungsregelung dagegen die auf den Lastanfallpunkt bezogenen Kennlinien, d. h. bei den bisherigen Beispielen die Sammelschienenkerinlinien.

Man kann deshalb im Gegensatz zur Drehzahlregelung in einem Netz nicht nur eine einzige, sondern eine Mehrzahl von Maschineneinheiten mit waagerechten Reglerkennlinien parallel arbeiten lassen, ohne befürchten zu. müssen, daß, die Leistungsverteilung zwischen ihnen unbestimmt wird, wenn nur zwischen diesen Maschinen genügend große Impedanzen liegen. Die Vierteilung der Laständerungen hängt in diesem Falle ausschließlich von den natürlichen Impedanz-Verhältnissen, d.h. in hohem Maße von der örtlichen Lage des Lastanfallpunktes innerhalb des ganzen Netzgebüdes ab." Die dem Lastanfallpunkt benachbarten Maschinen werden wesentlich stärker herangezogen als entfernt liegende.

Beim Arbeiten mit geneigten Reglerkennlinien tritt diese Ortsabhängigkeit zurück, und zwar um so stärker, je steiler die Kennlinien eingestellt werden. Es werden dann immer weiter entfernt liegende Netzteile mit zur Deckung einer Laständerung herangezogen, und die Laständerungen verteilen sich immer ausschließlicher nach Maßgabe der Neigungen der Reglerkennlinien. Wenn man dabei so weit geht, die zur vollen Be- oder Entlastung der Maschinen erforderliche Drehungsänderung in der Größenordnung von 2 π zu wählen oder sogar noch größer zu machen, fällt der Vorteil der Vektorregeluing weg, daß die Regler zusätzliche synchronisierende Kräfte hervorbringen und'.daß eine Zusammenschaltung getrennter Netzteile ohne vorausgehende Synchronisierung möglich ist. · Solange aber die Phasenlage der Maschinen- oder Netzspannungsvektoren noch einen merklichen Einfluß, auf die Maschinen- oder Netzleistungen und damit die Leistungsverteilung· hat, gehört das Regelverfahren doch noch zur Vektorregelung im weiteren Sinne, da es noch dessen Merkmal, die Ortsabhängigkeit, trägt und auch noch eine zur Konstanthaltung der Frequenz ausreichende Regelgeschwindigkeit gewährleistet. Erst wenn bei weiterer Vergrößerung des Drehungsunterschiedes zwischen Leerlauf und Vollast auch diese kennzeichnenden Merkmale der Vektorregelung weggefallen sind, hat man die eingangs beschriebene Gangregelung vor sich, bei der die Netzspannungsvektoren und der Normalspannungsvektor um so viele Perioden auseinanderlaufen können, daß, man von einem Gangunterschied spricht und als Maßeinheit die Sekunde (= 50 Per. bei 50 Hz) nimmt.

Um nun alle bisherigen Ausführungen über die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten des neuen Verfahrens noch durch lein weiteres Beispiel zu belegen, ist in Abb. 4 angenommen, daß an Stelle der drei Generatoren der Abb. 2 ganze Kraftwerke und an Stelle der Umspanner und der kurzen (bisher impedanzlos vorausgesetzten) Vierbindungsleitungen zu den Sarnmelschienen lange Fernleitungen mit mehreren dazwischenliegenden Umspannern, Drosselspulen usw. treten. An den Sammelschienen der 'Kraftwerbe 1 und 2, die den Klemmen der Generatoren GA₁ und GA₂ der Abb. 2 entsprechen, können dabei waagerechte Drehungskennlinien eingestellt werden. Jedes· dieser Kraftwerke kann dann die Vierteilung seiner Leistung auf seine Generatoren genau wieder so einrichten, wie oben besprochen und in Abb. 3 dargestellt wurde. An Stelle dieser Generatoren kann man sich dann auch wieder Kraftwerke gesetzt und so ein ganzes vermaschtes Netz aufgebaut denken. An der Sammelschiene des Kraftwerkes 3, die den Klemmen des Generators GA₅ der Abb. 2 entspricht, muß dagegen leine steigende Drehungskennlinie gehalten werden, wenn die Drehung an dem Knotenpunkt 4, an dem die drei nicht näher bezeichneten Fernleitungen zusammenlaufen (entsprechend der Sammelschiene in Abb. 2), die vorgeschriebene Drehung sein ,soll, die das Verhältnis des Netzes A zum Netz B bestimmt. too Dies heißt, daß die Werke 1 und 2 die Spitzen der an sie angeschlossenen Verbraucher V oder Netze .W selbst decken und konstante Leistungen vom Knotenpunkt 4 beziehen oder an ihn liefern, daß, dagegen das Werk 3 die Spitzen der am Knotenpunkt 4 angeschlossenen Verbraucher oder Netze zu übernehmen hat und außerdem eine konstante Leistung mit Werk 1 oder 2 oder Netz B austauscht, ganz wie dies die Betriebsverhältnisse erfordern.

Die Vektorregelung ist keineswegs nur auf die Steuieriung von solchen Maschinen beschränkt, von denen in den bisherigen Beispielen der Einfachheit halber ausschließlich die Rede war. Sie läßt sich ebensogut auch für Umformer, Drehtransformatoren, Induktionsumformer, Quertransformatoren, Drosseln usw. verwenden, mit denen Leistungen gesteuert werden können. Es braucht hier _izo nicht ausgeführt zu werden, daß solche Einrichtungen in großen Netzgebilden häufig

dann unerläßlich sind, wenn die Wirkleistungsverteüung überall willkürlich soll geregelt werden können. Wenn man diese Einrichtungen in das System der Vektorregelung einbezieht, indem man mit. ihnen entweder feste Drehungssprünge einstellt oder sie zur Konstanthaltung einer bestimmten Drehung benutzt, so ergibt sich die Möglichkeit einer viel· stärkeren Vermaschung der Netze, als ίο sie bisher durchführbar war.

Die beschriebenen Beispiele erweisen die vielseitige Anwendbarkeit des Verfahrens und seine Vorteile hinreichend. Die vorausgehenden Ausführungen sind jedoch keineswegs so gemeint, als ob nun in Zukunft nur noch solche Vektorregler verwendet werden sollten. Vielmehr können alle diejenigen Maschinen, die eine gegebene Energiedarbietung ins Netz zu liefern haben, und die vielein kleineren Maschinen, deren Leistung für das Netz keine Rolle spielt, wie bisher mit ihren Drehzahlreglern laufen. Nebenbei kommt aber auch diesen Maschinen das neue Regelverfahren zugute insofern, als die Netzfrequenz geringere Schwankungen aufweist und als infolgedessen ihre Leistungen leichter auf den beabsichtigten Werten gehalten werden können.

Nachdem das Verfahren der Vektorregelung und seine Vorteile für den Netzbetrieb im wesentlichen erörtert sind, sollen die Mittel zu seiner Verwirklichung besprochen werden.

Die Beschaffung des gemeinsamen Richtvektors an allen den Stellen, wo Vektorregler aufgestellt werden, kann beispielsweise zentral duren. einen besonderen, eine konstante Frequenz liefernden Generator oder durch einen der Netzgeneratoren selbst erfolgen. Zur Übertragung des Richtvektors kann man sich irgendeines der bekannten Hilfsmittel der Fernmelde- oder Sendetechnik bedienen. Dabei kann entweder die Frequenz des Richtvektors selbst übertragen werden, oder aber man kann irgendwelche Trägerfrequenzen benutzen, die mit der Frequenz des Richtvektors moduliert werden. Der heutige Stand der Technik gestattet es, sowohl die Frequenz des Richtvektors, z. B. mittels Stirnmgabelsteuerung, Quarzresonatoren, Präzisionsuhrwerken usw., über Maschinen oder Röhren 'mit vollkommen genügender Genauigkeit zu erzeugen, als auch den Richtvektor mittels geeigneter; Geber oder Sender und Empfänger so zu übertragen und zu verstärken, daß keine den, Netzbetrieb störenden Fehler in der Phasenlage entstehen können. Abweichungen in der Phasenlage, die durch die Übertragungsmittel und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit zustände kommen, lassen sich an den Regeleinrichtungen wieder richtigstellen. Man kann die Übertragungskanäle durch elektrische Weichen auch noch für andere Zwecke ausnutzen oder bereits vorhandene Einrichtungen mitbenutzen.

Statt dessen kann man aber auch daran denken, auf die ununterbrochene Übertragung des Richtvektors von der Zentralstelle aus zu verzichten und an Ort und Stelle möglichst genau arbeitende Schwingungserzeuger aufzustellen, die nach den gleichen Grundsätzen wie der zentrale Erzeuger gebaut sein können und die mit diesem durch Zeichen in gewissen Zeitabständen selbsttätig oder von Hand synchronisiert werden.

Es ist übrigens dabei — besonders wenn man, wie oben dargelegt, mit großen Drehungsunterschieden zwischen Leerlauf und Vollast arbeitet — keineswegs unbedingt erforderlich, daß die Richtvektoren dauernd vollkommen miteinander übereinstimmen, wenn nur das Auseinanderlaufen so langsam erfolgt, daß. die Nachstellung mit Hilfe der noch zu erörternden, bei den Reglern vorzusehenden Winkelverdrehungseinrichtungen nicht öfter, als für einen geregelten Netzbetrieb zulässig, notwendig wird. Freilich gewährleisten dann die von den WHtB&ataikm anzuordnenden Drehungen nur für eine gewisse Zeitdauer die beabsichtigte Leistungsverteilung. Da aber die wechselnden Anforderungen der Energieerzeugung und -abgabe sowieso fortlaufende Änderungen in der Leistungsverteilung und damit den Drehungen nötig machen, ist dies kein besonderer Nachteil, sofern nur den Befehlsstellen dadurch die Übersicht nicht verlorengeht. Eine Frequenzerzeugung für den Richtvektor, die diesen Anforderungen an Genauigkeit genügen dürfte, ließe sich vielleicht mit Unter-Stützung der Sternwarten auch ohne zentralen Erzeuger erreichen.

Die Vektorregler haben als Steuerorgan ein mechanisches oder elektrisches Differential, das einerseits vom Richtvektor, anderseits vom Spann'ungsvektor der Maschine usw. oder des Netzpunktes angetrieben oder gespeist wird, an denen eine Drehungs/ Leistungs-Kennlinie eingeregelt werden soll. Ein solches Differential zeigt bekanntlich an seiner Abtriebswelle den Winkel zwischen Rieht- und Maschinen- usw. oder Netzspannungsvektor, also die Drehung, an oder liefert eine ihr proportionale Größe. Als elektrische Differentiale kommen doppelt-"espeiste Asynchronmotoren, Phasendifferenzzeiger nach Art der Synchronoskope usw. in Betracht. Das Differential wirkt, genau so wie beim gewöhnlichen Drehzahlregler das Pendel, unmittelbar oder gewöhnlich mittelbar über Steuerventile, Verstärker und Servomotor auf das Leistungssteuer der zu

Befehlsstellen

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regelnden Maschine usw. ein. Wichtig ist dabei, daß. durch den Leistungsbedarf · des Reglers keine veränderliehe "Rückwirkung· auf die Phasenlage des Richtvektors entsteht. Man wird deshalb beispielsweise auch - schon Verstärkereinrichtungen für den Richtvektor am Ende des Übertragungskanals anordnen.

Um 'eine beliebige Drehungs/Lieistungs;-Kennlinie herstellen zu. können, ist außer dem

ίο Differential, das die Drehung mißt, als weiterer Hauptbestandteil des Reglers ein Leistungsmeßwerk notwendig. Im einfachsten EaIl besteht dieses ganz wie bei den gewöhn,-lichen Drehzahlreglern aus einer starren Rückführung vom Leistungssteuer der Maschine· her, dessen Hub gewöhnlich mit ausreichender Genauigkeit als Maß, für die Leistung gelten kann". Wenn dieser Weg nicht gangbar ist oder, wenn: andere Leistumgswerte, z. B. irgendein Leistungsfluß in einer Netzleitung wie im Falle der Abb. 4, in kennlinienmäßige Beziehung zur Drehung gesetzt werden sollen, wird man in der Regel elektrische Leistungsmesser verwenden, die wie die Rückführstange beim gewöhnlichen Drehzahlregler neben dem Pendel so hier neben dem Differential auf das Steuerwerk des Reglers mechanisch oder elektrisch einwirken, so daß von diesem die Summe aus Drehung und Leistung auf Null gehalten wird, wie es die Kennlinie vorschreibt.

Als Einstellvorrichtung, mit der der Drehungs soliwert -verändert bzw. die Kennlinie gehoben oder gesenkt wird, kommen, abgesehen von den vom Drehzahlregler her gebräuchlichen mechanischen Hilfsmitteln, z. B. auch noch alle die Einrichtungen in Betracht, mit denen die Phasenlage des Rieht- oder des Maschinen- usw. oder des Netzspannungsvektors in der Zuleitung zum Differential verändert werden kann.

Im übrigen wird man selbstverständlich die bekannten Grundsätze der Regeltechnik und die im Reglerbau bewährten Mittel (z. B.

nachgiebige Rückführungen) zur Erhöhung der Stabilität anwenden. So kann man u.a. auch mehrere Generatoren,- die, auf den Lastanfallpunkt bezogen, waagerechte Kennlinien haben, parallel arbeiten lassen, indem man ihre Steuerwerke durch mechanische oder elektrische Ausgleichsverbindungen voneinander abhängig macht. Unter Umständen wird es sich empfehlen, bereits, vorhandene Drehzahlregler durch eine Zusatzeinrichtung in Vektorregler zu verwandeln, indem man beispielsweise das Steuerorgan des Vektorreglers auf die Drehzalilverstellvorrichtung oder die Öffnungsbegrenzung usw. einwirken läßt. Ein solcher Regler kann im Notfall selbsttätig als Drehzahlregler eingreifen. Überhaupt wird es notwendig sein, die Vektorregler, wie dies auch bei den Drehzahlreglern üblich ist, mit einem groben Überdrehzahlschutz zu versehen, der bei Ausbleiben der Regelspannung oder sonstigen Störungen ein unzulässiges Ansteigen der Drehzahl verhindert.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Regelung von Leistungsverteilung, 7η Leistungsflüssen und Drehzahl (Frequenz) in ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetzen oder -netzverbänden, dadurch gekennzeichnet, daß; selbsttätige Regler Beziehungen zwischen den Winkelabweichungen der Maschinen- oder Nietzspannungsvektoren von Normalspannungs- oder Richtvektoren und den Maschinen- oder Netzleistungen einregeln, die durch Winkelabwieichungs/Lieistungs-Kennlinien nach Art der Drehzahl/Leistungs-Kennlinien darstellbar sind.

2. Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. der Abfall der Winkelabweichungs/Leistungs-Kennlinien (d. It die ihrem ganzen Leistungsbereich entsprechende Winkeländerung) zwar .mehr als 2 π beträgt, jedoch so klein bleibt, 'daß. die Phasenlage der Maschinen- oder · Netzspannungsvektoren noch einen merkliehen Einfluß auf die Maschinen- oder Netzleistungen hat.

3. Einrichtung zur Regelung nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß. das Steuerorgan des Reglers unter dem Einfluß 'eines mechanischen oder elektrischen Differentials .stent, das einerseits von der Maschinen- oder Netzspannung, anderseits von der als Richtvektor dienenden Normalspannung aus betfieben oder gespeist wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan des Reglers durch unmittelbare Verbindung mit dem Leistungssteuer (Rück-

* führung) oder durch mechanische oder elektrische Verbindung mit Leistungsmeßwerken oder durch Zwischenschaltung von Impedanzen zwischen die Maschinen- oder Netz- und die Reglerklemmen auch unter dem Einfluß, der Maschinen- oder Netzleistungen, steht.

5. Einrichtung zur Regelung nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Richtvektor dienende Normalspannung durch 'einen zentralen Erzeuger abhängig oder unabhängig vom Netz hergestellt und den Reglern durch eigene oder anderweitig mitbenutzte Übertragungskanäle zugeführt wird.

6. Einrichtung zur Regelung nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere Normalspannungen (Richtvektoren) örtlich getrennt voneinander erzeugt werden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß. die verschiedenen Normalspannungen (Richtvektoren) dauernd oder von Zeit zu Zeit untereinander oder mit einer zentral erzeugten Normalspannung (Richtvektor) durch Übertragungskanäle oder mit astronomisehen Hilfsmitteln verglichen und in Übereinstimmung gebracht werden.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen