DEP0015395DA - Verfahren zum richtigen Einregeln der durch Blindleistungserzeuger zu liefernden Blindleistung bei Speisung einer Anlage durch Wechselrichter. - Google Patents

Description

Werden Wechselstromanlagen aus einer Gleichstromleitung über Wechselrichter gespeist, so spielt die Blindleistungserzeugung eine große Rolle, da der Wechselrichter voreilenden Strom abgibt, die angeschlossenen Wechselstromverbraucher dagegen meist nacheilenden Strom benötigen. Dementsprechend muß in fast allen Fällen induktive Blindleistung kompensiert werden, was bekanntlich mit Kondensatorenbatterien oder mit übererregten Synchronmaschinen geschehen kann.

Das Schaltbild in Fig. 1 stellt schematisch eine solche Anlage dar. Es sei zunächst nur der stark ausgezogene Hauptstromkreis betrachtet. Aus der Gleichstromleitung A werden über die Drosselspulen B, die Ventile des Wechselrichters C und den Wechselrichtertransformator D die Drehstrom-Sammelschienen E gespeist. An diese Sammelschienen sind die Abnehmer F angeschlossen, die nacheilenden Strom brauchen. Außerdem sind an die Sammelschienen angeschlossen der Generator G mit dem Transformator H und die in ihrer Größe veränderliche Kondensatorenbatterie I.

Im stationären Betrieb dieser Anlage muß die vom Wechselrichter C und vom Generator G aufgebrachte Wirkleistung gleich der

Wirkleistung aller Verbraucher F sein. Ferner muß auch ein Gleichgewicht der Blindleistungen herrschen: Die Summe der von den Blindleistungserzeugern gelieferten Blindleistung muß gleich der insgesamt abgenommenen Blindleistung sein. Die Blindleistung der Abnehmer F ist im allgemeinen durch die Art der Abnehmer und durch das Netz als gegeben anzusehen. Der Generator G wird oft nur eine kleine Leistung im Vergleich zu der der Abnehmer besitzen. Beispielsweise bei der Gleichstrom-Hochspannungsübertragung hat man den Wunsch, möglichst die gesamte Wirkleistung über die Gleichstromleitung A und über den Wechselrichter C zu liefern. Der Generator G braucht nur dann Wirkleistung zu liefern, wenn die Mindest-Betriebsstromstärke des Wechselrichters C unterschritten wird. Die Leistung des Generators G braucht in diesem Falle nur einige Prozente der Abnehmerleistung zu betragen. Die von den Abnehmern und vom Wechselrichter benötigte Blindleistung muß nun fast ausschließlich durch die Kondensatorenbatterie I geliefert werden. Die Ermittelung der jeweils während des Betriebes notwendigen Größe der Kapazität dieser Kondensatorenbatterie ist eine schwierige Aufgabe, da diese von der laufend veränderlichen Art und Größe der Abnehmer sowie vom Zündwinkel des Wechselrichters abhängt. Man war deshalb bisher der Ansicht, daß es notwendig sei, den Generator G mindestens so groß zu machen, daß er den jeweiligen Überschuß oder zusätzlichen Bedarf an Blindleistung aufzunehmen bzw. abzugeben in der Lage ist.

Die Erfindung bringt hier eine Abhilfe. Ihr liegt die folgende grundlegende wichtige Entdeckung zu Grunde: Führt man einen Wechselrichter als fremdgeführten Wechselrichter aus, d.h. entnimmt man die Zündung des Wechselrichters einer getrennten Stromquelle, die in ihrer Phasenlage von der Phase des durch den Wechselrichter gespeisten Netzes unabhängig ist, dann richtet sich der Zündzeitpunkt des Wechselrichters automatisch so ein, daß Gleichgewicht der Blindleistungen vorhanden ist. Wird beispielsweise bei einem solchen fremdgeführten Wechselrichter während eines sonst stationären Betriebes die Größe der Kondensatorenbatterie I durch Zuschaltung weiterer Kondensatoren erhöht, dann verlagert sich selbsttätig der Zündzeitpunkt im Sinne einer früheren Zündung, so daß der Wechselrichter eine erhöhte kapazi- tive Blindleistung abgibt. Dadurch wird automatisch das Gleichgewicht der Blindleistungen gewahrt, und der Betrieb der Gesamtanlage bleibt trotz der Veränderung der Kapazität stabil. Es liegen in diesem Falle also ähnliche Verhältnisse vor, wie wenn das Wechselstromnetz durch einen Synchrongenerator gespeist wurde. Bei einer Vergrößerung der Kapazität im Netz wird dann bekanntlich eine selbsttätige Veränderung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung im Generator eintreten, durch die das Gleichgewicht der Blindleistungen gewahrt bleibt.

Diese für den Betrieb von wechselrichtergespeisten Anlagen wichtige Erkenntnis, die durch Versuche voll bestätigt wurde, wird erfindungsgemäß dazu verwendet, die richtige Größe der durch Blindleistungserzeuger zu liefernden Blindleistung während des Betriebes laufend festzustellen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter normaler Weise als fremdgeführter Wechselrichter betrieben wird, und daß die Größe der erzeugten Blindleistung so eingeregelt wird, daß die Sperrspannung der Wechselrichterventile den gewünschten Verlauf hat.

In Fig. 1 stellt die Leitung K die Zündleitung für die Wechselrichterventile dar. Ist nur der Schalter S(sub)1 geschlossen, dann wird die Zündung vom Wechselstromnetz aus über den Transformator H und über den Drehtransformator L gespeist. Der Wechselrichter arbeitet dann netzgeführt. Ist dagegen nur der Schalter S(sub)2 geschlossen, dann wird die Zündung aus dem Generator M gespeist, der durch die Antriebsmaschine N (etwa ein Gleichstrommotor) angetrieben wird. Zur Inbetriebnahme der Gesamtanlage kann der Wechselrichter zunächst als netzgeführter angefahren werden. Es kann dann der Generator M mit dem Wechselstromnetz synchronisiert werden und schließlich durch Öffnen des Schalters S(sub)1 und Schließen des Schalters S(sub)2 der fremdgeführte Betrieb aufgenommen werden. Die Frequenz des Netzes hängt von diesem Zeitpunkt an nur noch von der Drehzahl des Maschinensatzes NM ab.

Fig. 2 veranschaulicht in den Kurven A und B den Verlauf der gezündeten Gleichspannungen eines Wechselrichters mit 6 Ventilen in Graetz-Schaltung. Die kurven A und B zeigen die Spannungen gegenüber dem Sternpunkt des Wechselrichtertransformators, dessen Potential als horizontale Mittelachse eingezeichnet ist.

Kurve A ist die gezündete Gleichspannung des dreiphasigen Wechselrichters mit positiver Gleichspannung an dem gemeinsamen Ventilpunkt. Kurve B zeigt die entsprechende Spannung an der anderen Stromrichtergruppe mit negativer Gleichspannung. Bei der Zündung bricht die gezündete Spannung jeweils auf den Mittelwert zwischen zwei Phasenspannungen zusammen. Während der Überlappungszeit verläuft die gezündete Spannung in der Mitte zwischen diesen beiden Phasenspannungen. Bei Beendigung des Kommutierungsvorganges geht die gezündete Spannung auf den Betrag der Phasenspannung des Folgeventils über. (Bei der Darstellung sind die Spannungsabfälle an den Ventilen vernachlässigt.) Der Kommutierungsvorgang muß bekanntlich vor dem Schnittpunkt der beiden zugehörigen Phasenspannungen beendet sein, weil sonst ein Kippen des Wechselrichters eintreten würde. Die Zeitspanne zwischen Ende der Kommutierung und Phasenschnittpunkt ist in Fig. 2 mit a bezeichnet. Diese Strecke a ist für die folgenden Betrachtungen von ganz besonderer Wichtigkeit. Sie kann aus den Kurven A und B Fig. 2, die mit einem Oszillographen aufgenommen werden können, leicht ersehen werden.

Die in Fig. 2 unten gezeichnete Kurve C zeigt den Sperrspannungsverlauf eines dreiphasigen Wechselrichters. Dieser kann aus den Phasenspannungen sowie aus den gezündeten Spannungen unschwer ermittelt werden. Seine experimentelle Bestimmung kann z.B. mit den in Fig. 1 dargestellten Spannungsteiler-Widerständen R(sub)1 bis R(sub)4 und mit dem Oszillographen O erfolgen. Aus dem Sperrspannungsverlauf kann ebenfalls der Zeitabstand a deutlich ersehen werden. Die in Fig. 2 in das negative Gebiet ragende Sperrspannungspitze unmittelbar nach dem Verlöschen des Ventils tritt im Sperrspannungsverlauf besonders deutlich hervor.

Nach den obigen Ausführungen wird bei Vergrößerung der Kapazität I eine Vorverlagerung des Zündzeitpunktes des Wechselrichters eintreten. Nimmt man an, daß sich dadurch die Überlappungsdauer nicht wesentlich ändert, dann wird diese Vorverlagerung eine Vergrößerung der Strecke a und dadurch auch eine Erhöhung der negativen Sperrspannungspitze zur Folge haben. Eine zu weite Vorverlagerung des Zündzeitpunktes führt zu den Nachteilen, daß die Stromrichterventile durch den hohen Sperrspannungssprung nach ihrem Verlöschen stark beansprucht werden, und daß unnötig große Oberwellen sowie ein unnötig hoher Blindleistungsbedarf des Wechselrichters vorliegen. Wenn andererseits die Kapazität I immer kleiner gemacht wird, dann wird auch a kleiner und die Gefahr der Kippung des Wechselrichters liegt in immer stärkerem Maße vor. Welche Strecke a man im Betrieb am besten einhalten wird, hängt von den Betriebsbedingungen ab und zwar insbesondere davon, mit welchen plötzlichen Lastschwankungen gerechnet werden muß. In jedem Falle ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, die Kapazität I so einzustellen, daß a so groß wird, daß Kippungen gerade noch mit genügender Sicherheit vermieden werden.

Die Regelung der Kapazität I wird in bekannter Weise durch Ab- oder Zuschalten von Kondensatoren vorgenommen. Außerdem steht als Blindleistungserzeuger ein Generator G zur Verfügung. Dieser ist allerdings infolge der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Ist ein Generator vorhanden, dann wird man erfindungsgemäß die groben Regelstufen der Blindleistung durch Zu- und Abschalten von Kondensatoren, die Feinregelung durch eine Beeinflussung des Erregerstromes des Generators G vornehmen.

Die Führung des Betriebes nach der vorliegenden Erfindung erfordert die Verwendung eines Gerätes, aus dem der geschilderte Zeitabstand a ersehen oder beurteilt werden kann. Läßt man beispielsweise die Sperrspannung über ein Hilfsventil oder über einen Synchronschalter so auf ein Meßgerät einwirken, daß nur die in Fig. 2 negativ gezeichnete Sperrspannungsspitze auf das Meßgerät einwirkt, dann ist der Ausschlag des Meßgerätes ein Maßstab für die Zeitspanne a. Der Zeiger des Meßgerätes kann bei zu kleinen oder zu großen Werten des Ausschlages eines Signalanlage betätigen, oder er kann eine Änderung der Blindleistung durch Zu- und Abschalten von Kondensatoren bzw. Beeinflussung der Erregung des Generators herbeiführen.

An Stelle eines solchen Meßgerätes kann auch ein Oszillograph zum ständigen Sichtbarmachen des Sperrspannungsverlaufes oder des Verlaufes der gezündeten Spannungen benutzt werden. Man kann mit Hilfe bekannter Einrichtungen auf dem Oszillographen nur den im vorliegenden Falle wichtigen Teil der Kurve sichtbar machen und diesen so groß schreiben, daß er deutlich erkennbar wird. Auch in diesem Falle ist erfindungsgemäß die Betätigung von Signalen oder von Schaltern und Reglern denkbar. Durch eine Überwachung der maßgebenden Gebiete der Mattscheibe eines Schleifenoszillographen oder des Leuchtschirmes eines Elektronenstrahloszillographen mit Hilfe von Photozellen läßt sich erreichen, daß dann, wenn die Sperrspannungsspitzen zu groß werden, und Leuchterscheinungen in einem normaler Weise duNKlen Gebiet auftreten, ein Signal oder eine Regelung erfolgen. Das entsprechende muß der Fall sein, wenn infolge zu niedriger Sperrspannungsspitzen ein Gebiet, das normaler Weise erleuchtet ist, dunkel erscheint. Diese maßgebenden Gebiete müssen auf den Oszillographen einstellbar gemacht werden, da je nach der Eigenart des zu überwachenden Betriebes mit einem verschieden hohen Wert der Zeitspanne a gearbeitet werden wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum richtigen Einregeln der durch Blindleistungserzeuger zu liefernden Blindleistung bei Speisung einer Anlage durch Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter normaler Weise als fremdgeführter Wechselrichter betrieben wird und daß die Größe der erzeugten Blindleistung so eingeregelt wird, daß die Sperrspannung der Wechselrichterventile den gewünschten Verlauf hat, so daß einerseits zwischen Beendigung des Kommutierungsvorganges und Phasenschnittpunkt noch eine genügend große Zeitspanne vorliegt, um auch bei Betriebsschwankungen Kippungen zu vermeiden, daß aber andererseits zu hohe Sperrspannungsspitzen nach dem Verlöschen der Ventile und zu hoher Blindleistungsbedarf des Wechselrichters selbst vermieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zu großem Abstand (a) (s. Fig. 2) zwischen dem Ende der Kommutierung des Wechselrichters und dem Phasenschnittpunkt des Drehstromnetzes die erzeugte Blindleistung z.B. durch Abschaltung von Kondensatoren und/oder durch Verminderung des Erregerstromes von Synchrongeneratoren herabgesetzt wird, und daß bei zu kleinem Abstand (a) die erzeugte Blindleistung z.B. durch Zuschalten von Kondensatoren und/oder durch Steigerung des Erregerstromes der Generatoren vergrößert wird, wobei z.B. die groben Veränderungen durch Ab- und Zuschaltung von Kondensatoren, die feinen Veränderungen durch Regelung der Erregung von Synchrongeneratoren vorgenommen werden.

3. Anordnung, die nach dem Verfahren des Anspruches 1 arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine besondere, in ihrer Phasenlage vom Netz unabhängige Zündanlage benutzt wird, und daß ein anzeigendes oder schreibendes Gerät oder ein Oszillograph vorgesehen wird, aus dem während des Betriebes der Zeitabstand (a) zwischen Ende der Kommutierung und Phasenschnitt- punkt des Drehstromsystems ersehen werden kann, und dass nach der Anzeige dieses Gerätes die Größe der zu erzeugenden Blindleistung von Hand und/oder automatisch eingeregelt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung eines Wechselrichterventils über ein Hilfsventil, über einen umlaufenden Synchronschalter oder eine ähnlich wirkende Einrichtung so an das Meßgerät oder den Oszillographen gelegt wird, daß nur die während der Zeitspanne (a) (Fig. 2) auftretende Sperrspannungspitze einen Ausschlag des Meßgerätes hervorbringen kann, oder auf dem Oszillographen sichtbar wird.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Ausschlages des Meßgerätes eine Signalanlage betätigt wird und/oder automatisch eine Zu- oder Abschaltung von Kondensatoren und/oder eine Beeinflussung der Erregung von Synchrongeneratoren vorgenommen wird.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild der Kurve auf dem Oszillographen z.B. unter Zuhilfenahme von Photozellen zur Betätigung einer Signalanlage und/oder zu einer automatischen Regelung der Blindleistung benutzt wird.