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Frequenzregelung in einem durch einen selbstgesteuerten Wechselrichter
gespeisten Drehstromnetz Bei reinem Drehstrorribetrieb liegen die Leistungs- und
Spannungsverhältnisse einwandfrei klar.
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Ein reiner Blindlaststoß ergibt, solange er nicht sehr groß wird,
nur eine Beeinflussung der Spannung. Bei einem Blindlaststoß ändert sich die Spannung
ruckartig um den Streuspannungsabfall, der bei einem Vollaststoß etwa 15% der Normalspannung
ausmacht. Die Blindlast verteilt sich zunächst nach dem Streuspannungsabfall der
einzelnen Maschinen, der prozentual bei Maschinen verschiedener Größe etwa gleich
groß ist. Später, nach Eingreifen von selbsttätigen Reglern wird die Verteilung
eine andere, die aber durch entsprechende Bemessung und Einstellung der Regeleinrichtungen
eine ganz bestimmte, gewollte sein wird.
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Ein reiner Wirklaststoß verteilt sich zunächst auch entsprechend dem
Streuspannungsabfall, er bedeutet zunächst nur eine Winkelverschiebung zwischen
Netzspannung und innerer Maschinenspannung. Nach einem übergangszustand, während
dessen die Drehzahl der Maschine und damit die Frequenz sich ändert und die Wirklastverteilung
durch die Schwungmomente der einzelnen Maschinen beeinflußt wird, ergibt sich zunächst
die endgültige Wirklastverteilung nach den Kennlinien der Kraftmaschinenregler.
Später muß dann durch Eingreifen einer weiteren Regeleinrichtung, z. B. an einer
Führermaschine, oder auch durch Handregelung dafür gesorgt werden, daß die Frequenz
wieder die -Vorgeschriebene wird. Die Lastverteilung wird durch entsprechendes Abgleichen
der Reglerkennlinien durchgeführt. Bei modernen Kraftmaschinenreglern ergibt sich
ein Drehzahlabfall und damit ein Frequenzabfall bei einer Laständerung von Leerlauf
auf Vollast von 2 b i s 5 0fo, wobei die kleineren Werte für Dampf-, die größeren
für Wasserturbinen gelten.
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Wesentlich schwieriger werden die Verhältnisse bei Drehstrom-Gleichstrom-Drehstrom-Betrieb,
also bei Leistungsübertragung
von einem Kraftwerlt mit Gleichstrom
und Umformung durch Wechselrichter auf der Netzseite. Dabei ist einmal zu unterscheiden
der Betrieb ohne und dann mit parallel arbeitenden Drehstromgeneratoren auf der
Netzseite und dann außerdem der Betrieb finit selbstgesteuertem oder freindgesteuertein
Wechselrichter.
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Arbeitet ein selbstgesteuerter Wechselrichter (Gittersteuerung vom
Netz, das durch den Wechselrichter gebildet wird, gespeist) allein auf ein Drehstromnetz,
so ergeben sich folgende Verhältnisse: Ein reiner Blindlaststoß hat zunächst auch
hier entsprechend dem Streuspannungsabfall in der immer parallel arbeitenden Blindleistungsmaschine
einen Spannungsabfall zur Folge. Damit wird aber die Gegenspannung des Wechselrichters
kleiner, der Gleichstrom bzw. der Wirkstrom (aber auch der Blindstrom) auf der M`echselstromseite
wird größer. Greift auf der Netzseite keine Regelung ein, wird aber andererseits
die Kraftwerksspannung konstant gehalten, so -wird nun die Frequenz auf der Netzseite
ansteigen. Damit wächst die Spannung der Blindlastmaschine, der Wechselrichterstrorn
geht zurück, bis sich schließlich bei einer neuen Frequenz und im allgemeinen auch
bei einer anderen, von der ursprünglichen etwas verschiedenen Spannung wieder ein
Gleichgewichtszustand einstellt.
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Die relative Frequenzerhöhung wird praktisch umgekehrt gleich der
zunächst auftretenden Spannungsänderung. Fällt also z. B. die Spannung durch einen
Blindlaststoß um io°fo ab, so steigt die Frequenz um io°fo an. Die Spannung dagegen
wird durch den Blindlaststoß sehr schwach beeinflußt, sie wird im Endzustand praktisch
wieder die gleiche wie vor dein Stoß. Die Verhältnisse liegen also hier genau umgekehrt
wie bei normalem Drehstrom, dort wird durch einen Blindlaststoß die Frequenz nicht,
die Spannung aber stark beeinflußt.
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Tritt ein Wirklaststoß auf, so «-erden die Maschinen im Drehstromnetz
verzögert, die Frequenz und damit auch die Spannung sinkt so lange, bis die Spannungsdifferenz
zwischen Gleichspannung und wirksamer Drelrstromspannung so groß geworden ist, daß
der verlangte Wirkstrom in das Drehstroliinetz fließen kann. Ein gewisser Ausgleich
in der Frequenz findet durch den mit steigender Wirklast auch steigenden Blindlastbedarf
des Wechselrichters und dadurch bedingten Spannungsabfall auf der Drehstromseite
statt.
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Die Regelung von Spannung und Frequenz kann nun so vorgenommen werden,
daß die Spannung durch Änderung der Blindlastlieferung und die Frequenz. durch Änderung
der Aussteuerung bzw. der Übersetzung des Wechselrichtertransformators oder auch
der Änderung der Gleichspannung auf der Krafttverksseite gesteuert wird oder umgekehrt
die Spannung durch Änderung der Aussteueruni; und die Frequenz durch Änderung der
Blindlastlieferung. Im zweiten Fall werden erfindungsgemäß die Blindleistungsmaschinen
mit Schnellreglern ausgerüstet, die von der Frequenz, im ersteren Fall mit Schnellreglern,
die von der Netzspannung gesteuert werden.
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Arbeitet ein fremdgesteuerter Wechselrichter (Gittersteuerung von
einer fremden Drelistromquelle her gespeist) allein auf ein Drehstromnetz, so werden
die Verhältnisse -twas anders: Ein reiner Blindlaststoß hat naturgemäß auch hier
eine Spannungsverminderung zur Folge. Damit wird die Gegenspannung des Wechselrichters
kleiner, es fließt Wirkstrom ins Drehstromnetz. Die Maschinen, vor allem die besonders
interessierende Blindleistungsmaschine, -werden beschleunigt, damit ändert sich,
da ja die Steuerfrequenz starr, unabhängig vom Drehstromnetz festliegt, der Steuerwinkel,
die auf der Gleichstroniseite wirksame Gegenspannung des Netzes wird größer, so
lange, bis wieder die alte, dein im Netz verlangten Wirkstrom entsprechende Spannungsdifferenz
zwischen Gleich- und Drehstromspannung vorhanden ist. Die Frequenz ist dann. aber
auch wieder die ursprüngliche, durch die fremde Steuerfrequenz vorgeschriebene.
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Ein reiner Wirklaststoß hat zunächst eine Verzögerung der Synchronmaschinen
zur Folge, die Spannung des Netzes verschiebt sich zeitlich gegenüber der Steuerspannung,
bleibt gegenüber dieser zurück, damit wird die Aussteuerung und somit die Gegenspannung
geringer. und es kann nun der erforderliche Wirkstrom fließen, wobei auch jetzt
die Frequenz wieder die alte, der Stetierfrequenz_ entsprechende sein muß.
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In diesem Fall werden Spannung und Frequenz zweckmäßigerweise folgendermaßen
geregelt: Die Spannung wird durch Änderung der Erregung der mitlaufenden Blindleistungs-
i niaschinen geregelt, die erfindungsgemäß mit Schnellreglern ausgerüstet "werden,
die von der Spannung gesteuert «-erden. Die Frequenz ist starr an die Steuerfrequenz
gebunden, es ist also nur erforderlich, diFse Steuerfrequenz konstant zu halten,
was besonders einfach wird, weil die Steuerleistung sehr klein und außerdem nur
geringen Schwankungen unterworfen ist.
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Sehr viel häufiger wird allerdings der Fallauftreten, daß parallel
mit dem Wechselrichter noch andere Drehstromgeneratoren arr-
,beiten,
so daß gerade für diesen Betriebsfall 'die Regelung besonders wichtig wird.
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Da bei der Schaltung mit fremdgesteuertem Wechselrichter die Frequenz
durch den Wechselrichter starr gehalten wird, können sich die parallel arbeitenden
Drehstromkraftwerke an Leistungsänderungen nicht beteiligen, das Kraftwerk mit Gleichstromübertragung
hat also alle Spitzen zu übernehmen. Dies ist aber nur möglich, wenn .die Leistung
dieses Kraftwerks groß ist gegenüber der -der Drehstromkraftwerke. Dann liegt aber
praktisch der gleiche Fall vor, wie er bereits behandelt worden ist. Man wird dann
so regeln, wie wenn kein Kraftwerk parallel wäre. Wir können uns -daher hier auf
die Behandlung des Betriebes mit selbstgesteuertem Wechselrichter beschränken.
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Ein reiner Blindlaststoß wird im Netz eine Spannungsabsenkung - verursachen.
Damit wird aber der Wechselrichter, wie für selbständigen Betrieb geschildert, mehr
Wirkleistung ins Netz liefern und .damit versuchen, die Frequenz zu erhöhen. Da
durch Spannungsregler im Netz ohnedies die Spannung wieder auf ihren Sollwert gebracht
wird, verschwindet damit auch wieder dieWirkleistung des Wechselrichters. Immerhin
wird aber vorübergehend durch den Wirklaststoß des Wechselrichters, sofern der Wechselrichter
groß ist gegenüber der Gesamtlast, das Netz beunruhigt. Obwohl sich im Netz eigentlich
nur die Blindleistung geändert hat, tritt doch auch eine Frequenzbeeinflussung auf,
und die Regler der verschiedenen Kraftmaschinen sprechen an, verringern: zunächst
die Leistung, müssen sie dann aber, wenn die Wechselrichterleistung wieder Null
geworden ist, wieder auf den ursprünglichen Wert bringen.
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Ein reiner Wirklaststoß verursacht nur eine beringe Spannungsänderung.
Infolgedessen beteiligt sich der Wechselrichter an Wirklaständerungen praktisch,
überhaupt nicht.
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Da das natürliche Verhalten des Wechselrichters bzw. des ganzen Systems
mit Gleichrichter und Fernleitung,. wie dargelegt, sich sehr ungünstig auf den Netzbetrieb
auswirkt, wird durch entsprechende Regelung das Arbeiten des Wechselrichters an
das Arbeiten der parallel larbeitenden Drehstromgeneratoren angeglichen. Soll sich
z. B. der Wechselrichter entsprechend seiner Größe an Leistungsänderungen beteiligen,
so wird. seine Wirkleistung abhängig von der Frequenz gesteuert werden, so etwa,
daß bei 2 bis 5'1, (niedrige Werte bei Parallelbetrieb mit Turbogeneratoren, höhere
Werte mit Wasserkraftgeneratoren) Frequenzabfall die Wirklast sich um die Normalleistung
des Wechselrichters, für die er bemessen ist, ändert. Es ist bekannt, daß diese
Leistungsregelung durch Änderung der Aussteuerung am Wechselrichter durchgeführt
werden kann. Diese Art der Regelung hat aber den Nachteil, daß sich derLeistungsfaktor
und damit derBlindleistungsbedarf des Wechselrichters stark ändert. Erfindungsgemäß
soll daher die Leistungsregelung durch Änderung der Gleichspannung auf der Kraftwerksseite
durchgeführt werden. Diese Leistungsregelung wird nun selbstverständlich auch die
bei Blindlaststößen auftretende Wirklaständerungen ausregeln. Zweckmäßiger ist es
aber, wenn erfindungsgemäß die Steuerung auch noch direkt von der Spannung so beeinflußt
wird, daß bei Spannungssenkung auch sofort die Aussteuerung vergrößert wird und
damit die wirksame Gleichspannung des Wechselrichters praktisch unabhängig von den
Schwankungen auf .der Drehstromseite bleibt. Eine derartige Beeinflussung ist ebenso
von großem Vorteil bei selbständigem Betrieb eines Netzes.
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Die Leistungsregelung kann im Bedarfsfall auch anders durchgeführt
werden, z. B. so, daß die Leistung konstant gehalten wird, unabhängig von Frequenz-
oder Spannungsschwankungen, oder so, daß der Wechselrichter über einen gewissen
Frequenzbereich konstante und außerhalb dieses Bereiches dann stark abfallende (Frequenzansti-eg)
oder stark ansteigende (Frenquenzabfall) Leistung abgibt.
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Die zum Wechselrichter parallel arbeitenden Blindlasterzeuger wird
man zweckmäßigerweise auch mitSpannungsreglern ausrüsten, so daß sie sich an Blindlaständerungen
beteiligen.