DE908156C - Gleichstrom-Hochspannungs-Kraftuebertragung - Google Patents

Gleichstrom-Hochspannungs-Kraftuebertragung

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DE908156C
DE908156C DES14948D DES0014948D DE908156C DE 908156 C DE908156 C DE 908156C DE S14948 D DES14948 D DE S14948D DE S0014948 D DES0014948 D DE S0014948D DE 908156 C DE908156 C DE 908156C
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DE
Germany
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power transmission
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inverter
control
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DES14948D
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Dr-Ing Erich Rolf
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

  • Gleichstrom-Hochspannungs-Kraftübertragung Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrom-Hochspannungs-Kraftübertragungen, bei denen die Umformer an den Enden der Übertragungsleitung als Stromrichter ausgebildet sind. Welcher Art die Stromrichter dabei sind, ist an sich gleichgültig. Es können entweder Stromrichter mit eindeutiger Durchlaßrichtung, wie z. B. Quecksilberdampfstromrichter, verwendet werden; die Stromrichter können aber auch als Kontaktstromrichter, insbesondere mit Schaltdrosseln zur Verbesserung der Kommutierung, ausgebildet sein, die sich von den mit Entladungsstrecken arbeitenden Umformern dadurch unterscheiden, daß sie keinen Ventilcharakter besitzen, so daß bei ihnen auch die Möglichkeit der Stromrichtungsumkehr gegeben ist. Für derartige Kraftübertragungsanlagen bestehen bestimmte Grenzen der Belastbarkeit, die in dem Verhalten des Wechselrichters begründet liegen. Ein Wechselrichter besitzt nämlich eine sogenannte Trittgrenze, d. h. eine von verschiedenen sonstigen Betriebszuständen abhängige Stromgrenze, bei der er nicht mehr kommutieren kann. Beim Ventilwechselrichter äußert sich ein Überschreiten der Trittgrenze in der Weise, daß die gerade stromführende Ventilstrecke nicht mehr imstande ist, den Strom an die in der Phasenfolge benachbarte Ventilstrecke abzugeben. Beim Kontaktwechselrichter verlaufen die inneren Vorgänge an sich ganz ähnlich; ein Überschreiten der Trittgrenze hat dabei den Erfolg, daß eine funkenlose Öffnung des abzulösenden Kontaktes nicht mehr möglich ist. Der Erfindungsgegenstand besteht demgemäß in Maßnahmen, die zum Ziele haben, durch Eingriffe in die Steuerung der Stromrichter ein überschreiten der Trittgrenze bei allen Belastungszuständen bzw. Belastungsänderungen zu verhindern.
  • Um das Verständnis des Erfindungsgegenstands zu erleichtern, möge an Hand .der Zeichnung der Kommutierungsvorgang bei einem Wechselrichter näher betrachtet werden. Um einen Übergang der Stromführung von der Phase z zu der Phase 2 bei Wechselrichterbetrieb zu ermöglichen, ist es bekanntlich erforderlich, die Phase 2, sei es durch Gittersteuerung, sei es durch Schließen des vorschalteten Kontaktes, bereits vor dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit, d. h. vor dem Schnittpunkt der Spannungskurven ei und e2 in den Stromkreis einzuschalten. Die Stromführung geht beim Zuschalten der Folgephase nun keineswegs plötzlich, sondern wegen der vorhandenen Induktivitäten nur allmählich auf die Folgephase über. Es entsteht infolgedessen ein Überlappungsintervall, währenddessen beide Phasen gleichzeitig an der Stromführung beteiligt sind. Die Größe dieses Überlappungsintervalls der Ströme stellt sich sowohl beim Ventilstromrichter als auch beim Kontaktstromrichter ganz automatisch ein. Beim Kontaktstromrichter muß dabei dafür gesorgt sein, daß die überlappungsdauer der Kontaktschließungszeiten mindestens ebenso groß ist wie das Überlappungsintervall der Ströme.
  • Auf den durch die Stromüberlappung gebildeten kommutierenden Kreis wirkt die Differenz e"= e1-e. der beiden aufeinanderfolgenden Phasenspannungen als Wendespannung ein. Die Gleichspannung ug des Wechselrichters, die hier als Gegenspannung gegenüber der treibenden Gleichspannung wirkt, verläuft während der Übergabedauer zt nach der Mittelwertkurve zwischen den Spannungen der beiden kommutierenden Transformatorphasen. Hierdurch erhöht sich beim Wechselrichter die zuzuführende Gleichspannung bei Belastung gegenüber der EMK um den der schraffierten Fläche entsprechenden Betrag. Die Kommutierung des Wechselrichters unterliegt nun der Bedingung, daß das Ende der Stromüberlappungsdauer u theoretisch spätestens im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit liegt. Praktisch wird man wegen der erforderlichen Entionisierungszeit und wegen etwaiger Steuerungsgenauigkeiten noch einen gewissen Sicherheitsabstand ß, zwischen dem Endpunkt der überlappung und dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit aufrechterhalten müssen. Es fragt sich nun, unter welchen Voraussetzungen die genannte Kommutierungsbedingung für den Wechselrichter erfüllt ist.
  • Für eine gegebene Induktivität L des kommutierenden Kreises ergibt sich durch Integration der Spannung an einer Induktivität im Wechselstromkreis e" = -L - über den Stromübergabeabschnitt zt die Beziehung Hierin ist 19 der zu übergebende Gleichstrom, und der Ausdruck auf der linken Seite der Gleichung ist die über den Zeitabschnitt der Übergabedauer von den Anodenspannungen der kommutierenden Phasen eingeschlossene Wendespannungsfläche. Diese Wendespannungsfläche ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, doppelt so groß wie die schraffierte Spannungsabfallfläche.
  • Bei gegebener Induktivität ist die Größe der Wendespannungsfläche gemäß der angegebenen Gleichung nur abhängig von dem Gleichstrom Jg und diesem verhältnisgleich, dagegen vollkommen unabhängig von dem Grad der Aussteuerung, d. h. von dem Winkel fl; um den die Einschaltung bzw. Zündung der Folgephase dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit vorauseilt. Der Überlappungswinkel u ändert sich dementsprechend mit der Aussteuerung. Dieser ist am kleinsten bei einem Steuerwinkel von 9o°' (große Wendespannung) und am größten bei voller Aussteuerung (kleinste Wendespannung). Weiterhin hängt bei gegebenem Gleichstrom J, die Größe des überlappungswinkels auch noch ab von der Größe der Phasenspannungen. Je kleiner diese ist, um so größer wird der Überlappungswinkel u.
  • Von besonderer Bedeutung für Gleichstrom-Hochspannungs-Kraftübertragungen ist eine Kontaktstromrichtergattung, bei der in Reihe mit den Schaltkontakten zur Verbesserung der Kommutierung sogenannte Schaltdrosseln geschaltet sind, d. h. Drosselspulen, die sich bei Überschreitung eines bestimmten noch funkenfrei zu unterbrechenden Stromes sprunghaft sättigen. Der Kommutierungsvorgang bei einem solchen Kontaktstromrichter verläuft in der Art, daß nach erfolgter Zuschaltung der Folgephase zunächst nur eine ganz langsame, flach verlaufende Stromänderung einsetzt. Erst in dem Augenblick, in dem die Schaltdrossel des Folgekontaktes ihren Sättigungszustand erreicht, beginnt eine rasche Stromänderung, an die sich dann schließlich wiederum ein Zeitabschnitt mit langsamer Stromänderung anschließt. Die gesamte Zu- bzw. Abnahme des Stromes während der Zeiten langsamer Änderung ist verschwindend gering, so daß als eigentlicher Kommutierungsvorgang nur der Zeitabschnitt zu gelten hat, währenddessen beide Schaltdrosseln des Kommutierungskreises gesättigt sind. Das Ende dieses Zeitabschnittes ist dann auch für die Überlastbarkeit bzw. für die Erreichung der Trittgrenze maßgebend. Der Beginn des genannten Zeitabschnittes legt unabhängig von dem eigentlichen Einschaltzeitpunkt den Aussteuerungsgrad des Stromrichters fest. Man kann den Aussteuerungsgrad cos ß unter anderem also dadurch verändern, daß man bei festliegendem Einschaltzeitpunkt die Länge der flach verlaufenden Einschaltstufe verändert, was beispielsweise durch Vormagnetisierung der Schaltdrosseln geschehen kann. Im übrigen gelten für den Kontaktwechselrichter der genannten Gattung genau die gleichen Überlegungen, -wie sie oben ganz allgemein angestellt wurden.
  • Um nun im Betrieb ein Außertrittfallen des Wechselrichters unter allen Umständen zu verhindern, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Gleich-EMK des am Anfang der Übertragungsleitung befindlichen Gleichrichters bei Überschreitung einer bestimmten Stromgrenze, die sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Größe der zulässigen Wendespannungsfläche des Wechselrichters verschiebt, herabzusetzen. Unter der zulässigen Wendespannungsfläche ist dabei diejenige Fläche zwischen den Phasenspannungskurven zu verstehen, die auf der einen Seite durch den Beginn der überlappungszeit (Voreilwinkel ß) begrenzt ist und bis zu dem Sicherheitsvoreilwinkel ß, heranreicht. Durch diese Fläche ist der größte Wert der Überlappungszeit festgelegt, bei dem noch eine Kommutierung des Wechselrichters mit Sicherheit möglich ist. Es ist bereits der Vorschlag gemacht worden, beim Anwachsen des Belastungsstromes die Steuerung des Wechselrichters so zu beeinflussen, daß der Steuerwinkel ß vergrößert wird. Damit wird die zulässige Wendespannungsfläche ebenfalls vergrößert und die Gefahr eines Außertrittfallens vermindert. Dieses Steuerverfahren hat jedoch den Nachteil, daß gleichzeitig damit wegen der Herabsetzung der Gleich-EMK eine Erhöhung des Stromes stattfindet, so daß der Gewinn an Überlastungssicherheit nur verhältnismäßig gering ist und außerdem in dem gespeisten Wechselstromnetz unerwünschte Stromerhöhungen entstehen. Diese Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden.
  • Die Regelung der zugeführten Gleichspannung kann in beliebiger Art erfolgen. Man kann entweder die Steuerung des Gleichrichters beeinflussen oder die diesem zugeführte Wechselspannung herabsetzen. Die Regelung erfolgt zweckmäßig in der Art, daß die genannte Stromgrenze, die in ihrem Betrag von der jeweilig zulässigen Wendespannungsfläche des Wechselrichters abhängt, überhaupt nicht überschritten werden kann. Bei Erreichung dieser Grenze wird also der Gleichrichter, solange die Wendespannung konstant bleibt, auf konstanten Strom geregelt.
  • Die am Gleichrichter vorzusehende Regelanordnung kann so ausgestaltet sein, daß sie von dem Strom auf der Gleichrichterseite der Übertragung, und zwar entweder von dem Wechselstrom oder auch von dem Gleichstrom, beeinflußt wird. Falls jedoch an der Übertragungsleitung noch andere Verbraucher hängen, so kann es auch zweckmäßig sein, die Ströme in dem Wechselrichter zu messen und die entsprechenden Meßgrößen dann durch eine Fernwirkeinriehtung auf die Gleichrichterregelung zu übertragen. Die Fernwirkeinrichtungen können dabei in beliebiger Wise ausgestaltet sein. Man kann zur Übertragung der Meßgröße entweder eine besondere Leitung benutzen oder die Übertragungsleitung selbst als Träger für die Steuerimpulse verwenden, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Hochfrequenz. Für die Übertragung des jeweiligen Wertes der zulässigen Wendespannungsfläche auf die Regeleinrichtung des Gleichrichters ist eine Fernwirkeinrichtung nicht zu umgehen. Auch hier kann man die Fernwirkeinrichtung in irgendeiner bekannten Art ausbilden.
  • Besonders wichtig ist es, daß die Übertragung der Meßgrößen sowie die Beeinflussung der Gleichrichterspannung möglichst trägheitslos erfolgt. Man wird infolgedessen vorteilhaft für diesen Zweck trägheitslose Relais, wie z. B. Elektronenröhren, oder Gas- oder Dampfentladungsstrecken verwenden. Der Grad der Kommutierungssicherheit des Wechselrichters hängt davon ab, wie die Stromgrenze, bei der die Gleichrichterspannung herabgeregelt wird, in bezug auf die Größe der jeweiligen zuverlässigen Wendespannungsfläche gelegt wird. Um die Kommutierungssicherheit der Art des Betriebes jederzeit anpassen zu können, ist es zweckmäßig, die Abhängigkeit zwischen der genannten Stromgrenze und der zulässigen Wendespannungsfläche willkürlich einstellbar zu machen.
  • Für die Bestimmung der zulässigen Wendespannungsfläche bzw. für die Festlegung der dieser Größe entsprechenden Meßgröße bestehen eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Wenn die Aussteuerung des Wechselrichters unverändert bleibt, so stellt bereits die Größe der Wechselspannung des gespeisten Netzes ein Kriterium für die Größe der zulässigen Wendespannungsfläche dar. Je höher die Wechselspannung des gespeisten Netzes, um so höher ist auch die zulässige Wendespannungsfläche. Die Beeinflussung der Gleichspannung durch die Spannung des gespeisten Wechselstromnetzes ist von großer Wichtigkeit, da beim Herabsinken dieser Wechselspannung die zulässige Wendespannungsfläche kleiner wird, während die erforderliche Wendespannungsfläche nicht nur gleichbleibt, sondern sogar anwächst, da wegen des mit dem Absinken der Wechselspannung verbundenen Absinkens der Wechselrichter-EMK ein Anwachsen des Stromes eintritt. Das bedeutet, daß der sich einstellende überlappungswinkel in doppelter Hinsicht zunimmt und dabei den eingestellten höchstzulässigen Überlappungswinkel überschreiten kann, wenn nicht besondere Maßnahmen ergriffen werden.
  • Wenn die Aussteuerung des Wechselrichters, sei es willkürlich, sei es selbsttätig, in Abhängigkeit von irgendwelchen Betriebsgrößen veränderlich ist, so wird man zweckmäßig auch eine dem Aussteuerungsgrad entsprechende Meßgröße auf die Regeleinrichtung des Gleichrichters zur Einwirkung bringen. Je niedriger die Aussteuerung des Wechselrichters ist, mit je größerem Voreilwinkel dieser also betrieben wird, um so höher kann die Stromgrenze liegen, bei der die Beeinflussung der Gleichrichterspannung einsetzt.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Wendespannung keineswegs in allen Fällen nur von der Wechselspannung des gespeisten Netzes abzuhängen braucht, da unter Umständen auch eine besondere Wendespannung von einer fremden Spannungsduelle her, z. B. von einer Kommutierungsmaschine oder von einem geladenen Kondensator, eingeführt werden kann. Hierauf müß naturgemäß bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelanordnung Rücksicht genommen werden.
  • Die beschriebenen Maßnahmen sind bei Verwendung eines Ventilwechselrichters zur Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebes im allgemeinen ausreichend; bei Kontaktstromrichtern genügen diese Regelmaßnahmen jedoch unter Umständen noch nicht, da in diesem Fall noch die Gefahr besteht, daß sich die Stromrichtung in der Übertragungsleitung und damit in den Stromrichtern umkehrt. Das würde beim Kontaktwechselrichter eine starke Funkenbildung an den Kontakten hervorrufen, da die für Wechselrichterbetrieb eingestellten Schaltzeitpunkte keine einwandfreie Kommutierung bei Gleichrichterbetrieb ermöglichen. Man kann die Entstehung eines Rückstromes von vornherein dadurch unterbinden, daß man nur einen der beiden Stromrichter als Kontaktstromrichter, den anderen dagegen als Ventilstromrichter ausbildet. Sind jedoch beide als Kontaktstromrichter ausgebildet, so ist es zweckmäßig, die Steuerung bei Unterschreitung eines Mindeststromes so zu beeinflussen, daß das Verhältnis der Gleichrichter-EMK zur Wechselrichter-EMK nicht weiter absinkt. Es genügt unter Umständen zur Erreichung dieses Zieles, wenn nur die Steuerung des einen Stromrichters beeinflußt wird. Häufig wird es jedoch zweckmäßig sein, beide Stromrichter gleichzeitig zu regeln, wenn sich der genannte Betriebszustand einstellt. Um hierbei Betriebszustände auszuschließen, bei denen aus anderen Gründen die Gefahr der Instabilität auftreten kann, kann man die Anordnung auch so treffen, daß in bestimmten Regelbereichen nur der Gleichrichter, in anderen Regelbereichen nur der Wechselrichter beeinflußt wird. Das schließt jedoch nicht aus, daß auch noch Regelbereiche vorhanden sind, in denen beide gleichzeitig beeinflußt werden. Durch die gleichzeiti@ge Beeinflussung läßt sich nämlich eine wesentliche höhere Regelgeschwindigkeit erzielen, wenn die EMK des einen Stromrichters herauf-, die des anderen gleichzeitig herabgeregelt wird.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Gleichstrom-Höchspannungs-Kraftübertragung, bei der die Umformer an den Enden der Übertragungsleitung als Stromrichter ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich-EMK des Gleichrichters bei Überschreitung einer bestimmten Stromgrenze, die sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Größe der zulässigen Wendespannungsfläche des Wechselrichters verschiebt, herabgesetzt wird.
  2. 2. Kraftübertragung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich-EMK des Gleichrichters so geregelt wird, daß die von der zulässigen Wendespannungsfläche abhängige Stromgrenze nicht überschritten wird.
  3. 3. Kraftübertragung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Fernwirkeinrichtung eine von der zulässigen Wendcspannungsfläche des Wechselrichters abhängige Meßgröße auf die Regeleinrichtung des Gleichrichters übertragen wird. q..
  4. Kraftübertragung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung der Meßgröße oder für die Steuerungsbeeinflussung selbst trägheitslose Relais, vorzugsweise Elektronenröhren, oder Gas- oder Dampfentladungsstrecken verwendet sind.
  5. 5. Kraftübertragung nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit zwischen der Stromgrenze und der zulässigen Wendespannungsfläche willkürlich einstellbar ist.
  6. 6: Kraftübertragung nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgrenze in Abhängigkeit von der Spannung des gespeisten Wechselstromnetzes verändert Wird.
  7. 7. Kraftübertragung nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgrenze in Abhängigkeit von der Aussteuerung des Wechselrichters verändert wird. B. Kraftübertragung nach Anspruch i bis 7, bei der die Umformer als Kontaktstromrichter ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung bei Unterschreitung eines Mindeststromes oder bei einer bestimmten Annäherungsgeschwindigkeit an diesen Mindeststrom so beeinflußt wird, daß das Verhältnis der Gleichrichter-EMK zur Wechselrichter-EMK nicht weiter absinkt. g. Kraftübertragung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Steuerung des einen Stromrichters beeinflußt wird. To. Kraftübertragung nach Anspruch 8; dadurch gekennzeichnet, daß der bei Unterschreitung des Mindeststromes einsetzende Regeleinfluß auf beide Stromrichter einwirkt. i i. Kraftübertragung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in bestimmten Regelbereichen nur der Gleichrichter, in anderen Regelbereichen nur der Wechselrichter beeinflußt wird. T2. Kraftübertragung nach Anspruch i bis i i, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Umformer als Kontaktstromrichter, der andere dagegen als Ventilstromrichter mit eindeutiger Durchlaßrichtung ausgebildet ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1043490B (de) * 1954-09-25 1958-11-13 Asea Ab Regeleinrichtung fuer eine Kraftuebertragungsanlage mit hochgespanntem Gleichstrom
DE1043489B (de) * 1954-09-07 1958-11-13 Asea Ab Anordnung zur Regelung von Stromrichtern in einer Kraftuebertragungsanlage mit hochgespanntem Gleichstrom

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1043489B (de) * 1954-09-07 1958-11-13 Asea Ab Anordnung zur Regelung von Stromrichtern in einer Kraftuebertragungsanlage mit hochgespanntem Gleichstrom
DE1043490B (de) * 1954-09-25 1958-11-13 Asea Ab Regeleinrichtung fuer eine Kraftuebertragungsanlage mit hochgespanntem Gleichstrom

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