DE907798C

DE907798C - Device to protect a direct current remote transmission against the inverter falling out

Info

Publication number: DE907798C
Application number: DES13821D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erwin Janetschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1942-10-28
Filing date: 1942-10-29
Publication date: 1954-03-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Energieübertragung auf große Entfernungen mittels hochgespannten Gleichstromes, bei der am Ende der Übertragungsleitung ein Wechselrichter angeordnet ist, welcher die übertragene Gleichstromenergie in Drehstromenergie umformt und einem Drehstromnetz zuführt. Die Regelung der übertragenen Leistung bzw. des übertragenen Stromes wird bei einer derartigen Anlage zweckmäßig durch entsprechende Regeleingriffe auf der Seite des die Fernleitung speisenden Gleichrichters durchgeführt. Eine Regelung am Wechselrichter würde nämlich mit Rücksicht auf die Trittgrenze des Wechselrichters bei Störungen in den Drehstromnetzen zu ungünstigen Verhältnissen führen. Meist wird es sich darum handeln, den übertragenen Gleichstrom bzw. die übertragene Leistung konstant zu halten. Bei einer Regelung auf der Wechselstromseite müßte nun, wenn der Strom die Neigung hat, zu steigen, der Steuerwinkel des Wechselrichters verkleinert werden. Eine Verkleinerung des Steuerwinkels hat beim Wechselrichter aber immer eine Annäherung an dessen Stabilitätsgrenze zur Folge. Diese fällt um so mehr ins Gewicht, als ja eine Zunahme des übertragenen Gleichstromes meist auf ein Absinken der Spannung in dem gespeisten Drehstromnetz zurückzuführen ist, und durch dieses Absinken der Wechselspannung wird das für die Kommutierung des Wechselrichters zur Verfügung stehende Spannungszeitintegral ohnehin schon ver-The invention relates to a system for transmitting energy over long distances by means of high-voltage direct current, in which an inverter is arranged at the end of the transmission line is, which converts the transmitted direct current energy into three-phase energy and a Three-phase network supplies. The regulation of the transmitted power or the transmitted current is expedient in such a system by appropriate control interventions on the side of the Long-distance line feeding rectifier carried out. A regulation on the inverter would namely with consideration of the step limit of the inverter in the event of disturbances in the three-phase networks lead to unfavorable conditions. Most of the time it will be the transmitted direct current or to keep the transmitted power constant. With regulation on the alternating current side If the current tends to increase, the control angle of the inverter would have to be reduced will. With the inverter, however, there is always a reduction in the control angle Approach to its stability limit result. This is all the more important as an increase of the transmitted direct current is mostly due to a drop in the voltage in the supplied Three-phase network is due, and this decrease in AC voltage is the for the Commutation of the inverter already available voltage time integral already

kleinert. Es ist deshalb günstig, den Wechselrichter mit konstanter Aussteuerung zu betreiben, und zwar wird man diese Aussteuerung möglichst hoch, den Steuerwinkel des Wechselrichters also mögliehst klein wählen, damit der Wechselrichter mit einem guten Leistungsfaktor arbeitet. Nun kann aber bei größerer Länge der Übertragungsleitung eine Regelung des Gleichrichters auf konstanten Strom oder konstante Leistung nicht verhindern, ίο daß bei plötzlichen Spannungsabsenkungen in dem vom Wechselrichter gespeisten Drehstromnetz doch die geregelte Größe am Wechselrichter vorübergehend stark ansteigt. Zunächst liegt das an der Kapazität des Gleichstromkabels, welches beim Absinken der von dem Wechselrichter gelieferten Gegenspannung das Bestreben hat, sich über den Wechelrichter zu entladen. Vor allem aber macht sich die endliche Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Strom- bzw. Spannungswellen auf der Gleichao stromleitung störend bemerkbar. Man kann die Fortpflanzungsgeschwindigkeit längs des Gleichstromkreiises etwa mit 50 bis 100· km/ms veranschlagen. Das hat zur Folge, daß bei einer Störung in dem gespeisten oder dem speisenden Drehstromnetz der auf der Gleichrichterseite ausgeübte Regeleinfluß auf der Wechselrichterseite erst nach Ablauf einer gewissen, durch den Hin- und Rücklauf der Stromwellen bedingten Zeit zur Wirkung kommt. In dieser Zeit kann aber die Überlastbarkeit des Wechselrichters durch das Ansteigen des Gleichstromes bereits überschritten sein.diminishes. It is therefore beneficial to operate the inverter with constant modulation, and Although this modulation is as high as possible, the control angle of the inverter is therefore possible Select small so that the inverter works with a good power factor. Well can but if the transmission line is longer, the rectifier will be regulated to a constant level Do not prevent current or constant power, ίο that in the event of sudden voltage drops in the The three-phase network fed by the inverter temporarily changes to the regulated variable on the inverter increases sharply. First of all, this is due to the capacitance of the direct current cable, which when it sinks the counter-voltage supplied by the inverter has the tendency to be over the Inverter to discharge. But above all it is the finite speed of propagation of current or voltage waves on the Gleichao power line disturbing noticeable. You can Estimate the speed of propagation along the direct current circuit at around 50 to 100 km / ms. The consequence of this is that in the event of a fault in the three-phase network that is fed or the feeding system the control influence exerted on the rectifier side on the inverter side only after Expiration of a certain time to take effect, due to the flow of the current waves there and back comes. During this time, however, the overload capacity of the inverter can be reduced by the increase in the Direct current has already been exceeded.

Die Erfindung schlägt deshalb vor, auf der Wechselrichterseite Mittel vorzusehen, die die Änderungsgeschwindigkeit der zu regelnden Größe auf ein solches Maß herabsetzen, daß bei Störungen, welche die Regelung auf der Gleichrichterseite zum Ansprechen bringen, bis zu dem Zeitpunkt, in welchem dieser Regelvorgang auf der Wechselrichterseite wirksam wird, die Trittgrenze des Wechselrichters nicht durch unzulässige Änderung der zu regelnden Größe überschritten wird. Als Mittel zur Herabsetzung der Änderungs'geschwindigkeit der zu regelnden Größe kann eine entsprechend bemessene Induktivität dienen, die in der Nähe des \¥eehselrichters in die Gleichstromübertragungsleitung eingeschaltet wird.The invention therefore proposes to provide means on the inverter side that the Reduce the rate of change of the variable to be controlled to such an extent that in the event of faults, which cause the regulation on the rectifier side to respond, up to the point in time in which control process takes effect on the inverter side, the step limit of the Inverter is not exceeded by impermissible changes in the variable to be controlled. As a means to reduce the rate of change the variable to be controlled can be a correspondingly dimensioned inductance, which is close to the \ ¥ eehselrichters is switched into the direct current transmission line.

Nun ist bereits vorgeschlagen worden, in solchen Anlagen, in denen die Regelung auf der Gleichrichterseite erfolgt, den Wechselrichter zusätzlich mit einer rasch arbeitenden Kompoundierung auszurüsten, welche im Fall einer Spannungsabsenkung im gespeisten Drehstromnetz den Steuerwinkel des Wechselrichters nicht, wie es zur Konstanthaltung des übertragenen Stromes erforder-Hch wäre, verkleinert, sondern im Gegenteil sogar noch vergrößert. Dies wirkt zwar ebenfalls im Sinne einer Vergrößerung des von dem Wechselrichter umzuformenden Stromes, jedoch wird durch eine Vergrößerung des Steuerwinkels auch die Überlastbarkeit des Wechselrichters vergrößert, so daß auf diese Weise ein zusätzlicher Schutz gegen Außertrittfallen des Wechselrichters gewährleistet wird. Die Kompoundierung des Wechselrichters wird zweckmäßig so ausgebildet, daß der Wirkstrom konstant gehalten wird, um im Störungsfall nicht noch zusätzliche Wirklaststöße in das gespeiste Drehstromnetz gelangen zu lassen. Es wird also, wenn J_g den Gleichstrom und β den Steuerwinkel des Wechselrichters bedeutet, vorteilhaft der Wert Ig ■ cos · β konstant gehalten, d. h. es wird der Kosiimus des Steuerwinkels in demselben Maße verkleinert, wie der Gleichstrom anwächst.It has already been proposed, in systems in which the control takes place on the rectifier side, to equip the inverter with a fast compounding system which, in the event of a voltage drop in the fed three-phase network, does not reduce the control angle of the inverter, as is necessary to keep the transmitted current constant It would be necessary to make it smaller, but on the contrary even to enlarge it. Although this also works to increase the current to be converted by the inverter, increasing the control angle also increases the overloadability of the inverter, so that additional protection against the inverter being stepped out is ensured in this way. The compounding of the inverter is expediently designed in such a way that the active current is kept constant in order not to allow additional active load surges to get into the fed three-phase network in the event of a fault. If J _g denotes the direct current and β the control angle of the inverter, the value Ig · cos · β is advantageously kept constant, ie the cosine of the control angle is reduced to the same extent as the direct current increases.

Die Geschwindigkeit, mit der diese Kompoundierung zur Wirkung gelangt, reicht aber auch nicht in allen Fällen aus, um ein Überschreiten der Trittgrenze des Wechselrichters zu verhindern. Zunächst bedarf die Kompoundierungseinrichtung beim Auftreten einer Störung einer gewissen Zeit, um überhaupt zum Ansprechen zu kommen. Sodann muß aber auch beachtet werden, daß für die jeweilige Überlastbarkeit des Wechselrichters ja immer nur der Zustand des Wechselrichters im Kommutierungsabschnitt maßgebend ist. Es kommt also darauf an, wie weit der erste Kommutierungsvorgang, der bereits unter dem Einfluß der Korn- poundierung stattfindet, zeitlich von dem Augenblick des Eintritts der Störung entfernt ist. Auch hier wirkt sich das Vorhandensein der erfindungsgemäßen Verzögerungsmittel günstig aus, und zwar müssen gemäß der weiteren Erfindung diese Verzögerungsmittel so bemessen sein, daß der Gleichstrom den Höchstwert, der bei der abgesunkenen Wechselspannung und" dem betriebsmäßigen Steuerwinkel des Wechselrichters noch kommutiert werden kann, vom Augenblick der Störung an gerechnet, erst dann erreicht, wenn die Kommutierung des Wechselrichters bereits unter Einwirkung der Kompoundierungseinrichtung erfolgt. Es läßt sich zeigen, daß für diesen Zeitabschnitt die Summe aus der zum Ansprechen und Verstellen der Kompoundierungseinrichtung erforderlichen Gesamtzeit und dem normalen Zeitabstand zweier aufeinanderfolgender Kommutierungsvorgänge des Wechselrichters veranschlagt werden muß. Bei einer Frequenz von 50 Hz und einer Kommutierung im dreiphasigen System ist der Abstand zwischen zwei normalen Kommutierungsvorgängen 6,6 ms, bei sechsphasigen Systemen 3,3 ms.The speed with which this compounding takes effect is also sufficient does not always work in order to prevent the inverter from exceeding the step limit. First the compounding facility requires a certain amount of time when a fault occurs, in order to even be addressed. But then it must also be noted that for the respective Overload capacity of the inverter always only the state of the inverter in Commutation section is decisive. So it depends on how far the first commutation process, which is already under the influence of the grain pounding takes place is removed in time from the moment the fault occurred. Even here the presence of the retardants according to the invention has a favorable effect, namely According to the further invention, these delay means must be dimensioned so that the direct current the maximum value of the decreased alternating voltage and "the operational control angle of the inverter can still be commutated, calculated from the moment of the fault, only achieved when the commutation of the inverter is already under the action of Compounding facility takes place. It can be shown that for this period of time the sum of the total time required for addressing and adjusting the compounding device and the normal time interval between two successive commutation processes of the inverter must be estimated. At a frequency of 50 Hz and a three-phase commutation System, the interval between two normal commutation processes is 6.6 ms, at six-phase systems 3.3 ms.

In Fig. ι ist die normale Wechselspannung U="s gesetzt. Der Wechselrichter möge mit einer Kornpoundierung ausgerüstet sein. Diese Kompoundierung benötigt aber, wie noch weiter unten darelegt werden wird, eine gewisse Zeit J₂, um zur Wirkung zu gelangen. Sie möge so ausgelegt sein, daß der Wirkstrom J_w konstant gehalten wird. Wegen der Verzögerungszeit der Kompoundierung steigt der Wirkstrom J_w von dem ursprünglichen, ebenfalls gleich 1 gesetzten Wert zunächst an, um dann wieder auf den Wert 1 zurückzukehren.The normal alternating voltage U = "s is set in FIG. 1. The inverter may be equipped with a compounding. However, as will be explained further below, this compounding requires a certain time J ₂ in order to take effect be designed in such a way that the active current J _{w is} kept constant. Because of the delay time of the compounding, the active current J _w initially increases from the original value, which is also set equal to 1, and then returns to the value 1 again.

Die Größe der Überlastbarkeit ü des Wechselrichters hängt in jedem Augenblick ab von der Größe des Gleichstromes und von der Höhe der Wechselspannung. Im normalen Betrieb möge der Wechselrichter eine Überlastbarkeit ü haben, die tun einen bestimmten Betrag größer als 1 ist. Durch das Zusammenbrechen der Spannung U innerhalbThe size of the overload above the inverter depends at each moment on the size of the direct current and the magnitude of the AC voltage. In normal operation, the inverter may have an overload ü who do a certain amount greater than 1. By the collapse of the voltage U within

des Zeitabschnittes t_t nimmt die Überlastbarkeit ü ebenfalls rasch ab, um dann, zunächst noch unbeeinflußt von der Kompoundierung, etwas langsamer weiterzusinken. Erst im Punkt A, nach Ablauf der Zeit i₂ vom Störungsaugenblick t₀ an gerechnet, setzt dann die Kompoundierung des Wechselrichters ein und läßt die Überlastbarkeit U wieder ansteigen. Die Ordinate des Punktes A hängt nun davon ab, wie weit innerhalb der Zeit Z₂ of the time segment t _t , the overload capacity ü also decreases rapidly, only to then continue to decrease somewhat more slowly, initially unaffected by the compounding. Only at point A, after the time i _{2 has} elapsed from the fault instant t ₀ , does the compounding of the inverter begin and the overload capacity U increases again. The ordinate of point A now depends on how far within the time Z ₂

ίο der Gleichstrom J_g angestiegen ist. Normalerweise, d. h. wenn von der Erfindung kein Gebrauch gemacht worden ist, wird im Zeitpunkt t_z der Gleichstrom Ig bereits so weit angestiegen sein, daß die Überlastbarkeit ü den Wert ι unterschritten hat.ίο the direct current J _{g has} increased. Normally, ie if no use has been made of the invention, the direct current Ig will already have risen so far at the time t _z that the overload capacity ü has fallen below the value ι.

In diesem Fall fällt also der Wechselrichter trotz der Kompoundierung außer Tritt. Durch die Erfindung wird erreicht, daß, wie es in Fig. ι auch dargestellt ist, der Gleichstrom I _g nur so langsam anzusteigen vermag, daß der Punkt A der Über-In this case, the inverter falls out of step despite the compounding. By the invention it is achieved that, as it ι in Fig. Also shown, the DC current I _g so slowly is able to increase, that the point A of over-

ao lastungskurve noch oberhalb des Wertes ι liegt. Dia bis zu dem Zeitpunkt i₂ für die Überlastbarkeit des Wechselrichters noch der ursprüngliche betriebsmäßige Steuerwinkel maßgebend ist, darf also, mit anderen Worten, der Strom I_g bis zu diesemao load curve is still above the value ι. Since the original operational control angle is still decisive for the overload capacity of the inverter up to the point in time i ₂ , in other words, the current I _{g may be} up to this point

as Zeitpunkt, in welchem die Kompoundierung einsetzt, nicht so weit steigen, daß die dem ursprünglichen Steuerwinkel entsprechende Überlastbarkeit den Wert ι unterschreitet. Zeigt der Strom J_g den flachen Anstieg, der in Fig. ι dargestellt ist, so wird die Trittgrenze des Wechselrichters niemals unterschritten, zumal ja nach einiger Zeit der Strom I_g durch das Wirksamwerden der Gleichrichterregelung konstant gehalten wird.The point in time at which the compounding begins do not rise so far that the overload capacity corresponding to the original control angle falls below the value ι. If the current J _{g shows} the flat rise, which is shown in Fig. 1, then the step limit of the inverter is never fallen below, especially since after some time the current I _g is kept constant by the activation of the rectifier control.

Es fragt sich nun, wie groß die Zeit J₂ ist, die vergeht, bis die Wechselrichterkompoundierung zur Wirkung gelangt. In Fig. 2 sind diese Verhältnisse für einen dreiphasigen Wechselrichter dargestellt. Im Zeitpunkt t₀ möge die Störung auftreten. Dann vergeht zunächst eine gewisse Zeit R, bis die Kompoundierungseinrichtung überhaupt angesprochen und die Verstellung des Steuerwinkels bewirkt hat. Der Steuerwinkel, mit dem der Wechselrichter im normalen Betrieb gearbeitet hat, möge gleich ß_x sein, wobei die Kommutierung den Zeitabschnitt M₁ in Anspruch genommen haben möge. ß₀ sei der Sicherheitswinkel, der die zulässige Grenze für den Endpunkt der Kommutierung festlegt. Der Steuerwinkel soll nun unter dem Einfluß der Kompoundierung von ß₁ auf ß₂ um das Maß ν zunehmen. In Fig. 2 ist der Zeitpunkt J₀ des Eintretens der Störung so gewählt, daß sich unmittelbar an die Eigenzeit der Kompoundierung¹ der neue Steuerwinkel /J₂ anschließt. In diesem Fall würde also der Wechselrichter bereits in dem Kommiutierungsabschnitt I, der unmittelbar nach Ablauf der Eigenzeit R der Kompoundierungseinrichtung beginnt, imstande sein, einen höheren Strom entsprechend dem neuen Steuerwinkel ß₂ zu kommutieren. Wäre die Eigenzeit R aber etwas größer, so würde im Kommutierungsabschnitt I der Steuerwinkel ß₂ noch nicht zur Verfügung stehen, sondern das wäre erst in dem darauffolgenden Kommutierungsabschnitt II der Fall. Das gleiche tritt ein, wenn die Störung nicht im Zeitpunkt t₀, sondern einen Augenblick später eintritt. Mit Sicherheit ist der neue Steuerwinkel also erst nach einer Zeit t_t erreicht, die noch um den Zeitabstand zweier normaler Kommutierungen größer ist als die Eigenzeit R der Kompoundierungseinrichtung. Bei der der Fiig. 2 zugrunde gelegten I2o°-Schaltung des Wechselrichters beträgt der Abstand zweier normaler Kommutierungen 6,6 ms; innerhalb der Zeit t_t darf also der Strom nur so weit steigen, daß der Wechselrichter noch mit dem ursprünglichen Steuerwinkel ß₁ eine Überlastbarkeit größer als 1 behält. Im Kommutierungsabschnitt II steht dann für den gesamten Kommutierungsvorgang eine Zeit M₂ zur Verfügung. Daraus ergibt sich in jedem Fall die notwendige Bemessung der Drossel im Gleichstromkreis. Je größer die Induktivität im Gleichstromkreis ist, um so größer ist bei sonst ungeänderten Verhältnissen die Zeit, die der Gleichstrom braucht, um auf einen bestimmten Wert anzusteigen. In Fig. ι ist der Zeitmaßstab, in welchem die Kurven I_g und ü eingezeichnet werden müssen, unmittelbar proportional der Induktivität L im Gleichstromkreis. Die Erfindung hat den Vorteil, daß im normalen Betrieb der Wechselrichter mit einer sehr kleinen Sicherheit gegen Kippen, d. h. mit einem sehr kleinen Steuerwinkel ß, betrieben werden kann. Das bedeutet aber einen Betrieb mit einem guten Leistungsfaktor und einem geringen Aufwand für Blindleistungserzeuger im gespeisten Netz.The question now is how long is the time J ₂ that passes before the inverter compounding takes effect. In Fig. 2 these relationships are shown for a three-phase inverter. Let the disturbance occur at time t _0. Then initially a certain time R elapses until the compounding device has responded at all and effected the adjustment of the control angle. The control angle with which the inverter worked in normal operation may be equal to β _x , the commutation may have taken up the time segment M _1. Let ß ₀ be the safety angle that defines the permissible limit for the end point of the commutation. The control angle should now increase from ß ₁ to ß ₂ by the amount ν under the influence of the compounding. In FIG. 2, the point in time J _{0 of} the occurrence of the disturbance is selected such that the new control angle / J ₂ ^{immediately follows the proper time of compounding 1} . In this case, the inverter would already be able to commutate a higher current in accordance with the new control angle β ₂ in commutation section I, which begins immediately after the proper time R of the compounding device has expired. If the proper time R were somewhat greater, however, the control angle β ₂ would not yet be available in commutation section I, but that would only be the case in commutation section II that follows. The same occurs if the disturbance does not occur at time t ₀ , but a moment later. The new control angle is therefore only reached after a time t _t which is greater than the proper time R of the compounding device by the time interval between two normal commutations. The Fiig. 2 underlying I2o ° circuit of the inverter, the interval between two normal commutations is 6.6 ms; Within the time t _t , the current may only rise so far that the inverter still retains an overload capacity greater than 1 with the original control angle β _1. _{A time M 2} is then available in commutation section II for the entire commutation process. In any case, this results in the necessary dimensioning of the choke in the direct current circuit. The greater the inductance in the direct current circuit, the greater the time that the direct current needs to rise to a certain value, assuming the conditions remain unchanged. In Fig. Ι the time scale in which the curves I _g and u must be drawn, is directly proportional to the inductance L in the direct current circuit. The invention has the advantage that, during normal operation, the inverter can be operated with a very low level of security against tilting, that is to say with a very small control angle β . However, this means operation with a good power factor and low expenditure for reactive power generators in the fed network.

Claims

95 PATENT CLAIMS:

1. Device for protecting a direct current remote transmission against falling out of the inverter, in which the control intervention for the automatic control of the transmitted Power or the transmitted current takes place on the rectifier side, characterized in that that means are provided on the inverter side, which the rate of change reduce the size to be controlled to such a level that in the event of disturbances which the control on the rectifier side to respond, up to the point in time at which this rule process on the Becomes effective on the inverter side, the step limit of the inverter is not caused by impermissible Change in the size to be regulated is exceeded.

2. Device according to claim 1, characterized in that that as a means of reducing the rate of change of the variable to be controlled, a near the inverter in The correspondingly dimensioned inductance located in the pipeline is used. iao

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that when used a fast-acting compounding on the inverter, which occurs when the voltage drops in the fed three-phase circuit its control angle increases, the means for reducing

the rate of change of the variable to be controlled are such that the direct current the highest value, the one for the decreased AC voltage and the operational one Control angle of the inverter can still be commutated from the moment of the fault expected, only achieved when the inverter compounding has already started Effect.

4. Device according to claim 3, characterized by such a dimensioning of the means for the reduction in the rate of change of the variable to be controlled, that the direct current due to the decreased AC voltage and the operational control angle maximum value given by the inverter is reached after a time interval at the earliest, which is equal to the sum of the addressing and adjusting the compounding ■ setup · total time required and the normal time interval between two consecutive Commutation processes of the inverter.

5. Device according to claim 2 to 4, characterized in that the inverter is compounded to constant active current.

1 sheet of drawings

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