HU220262B - Berendezés és eljárás soros kompenzációval villamos tápvonalakban a teljesítményoszcilláció csillapítására - Google Patents

Description

A leírás terjedelme 20 oldal (ezen belül 9 lap ábra)

HU 220 262 B kapcsolóüzemű teljesítményátalakítót, például invertert csatlakoztatunk a tápvonallal (5) sorosan úgy, hogy alapvetően alapfrekvenciájú és a váltakozó áramhoz képest szabályozható nagyságú és fázisszögű, kompenzáló feszültséget iktatunk segítségével a tápvonalra (5), teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet alkalmazunk, amely pozitív, valós impedanciát hoz létre, és a szabályozható nagyságú és fázisszögű, kompenzáló feszültséget úgy szabályozzuk, hogy a kiválasztott reaktív és virtuális, valós impedanciát iktassa oly módon az átviteli vonalba (5), hogy az oszcillációt csillapítsa, a virtuális, valós impedanciát egy teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység hozza létre, míg a reaktív impedanciát a kapcsolóüzemű átalakítóval hozzuk létre.

A találmány tárgya olyan berendezés, amely a nagyteljesítményű villamos rendszerekben fellépő teljesítmény ingadozásának, oszcillációjának a csillapítására alkalmazható. Még pontosabban a találmány olyan soros kompenzáló elrendezés, amely mind valós, mind pedig reaktív elemet iktat a teljesítményátviteli vezetékbe, ily módon csillapítva a teljesítményben bekövetkező ingadozásokat.

A tápenergia-hálózatoknál a teljesítmény ingadozását gyakran az elektromos áramellátó rendszerben fellépő zavarok, például teljesítményátviteli vezetékhibák, vonali hibák, terheléskapcsolók, hibás berendezések vagy egyéb olyan változások idézik elő, amelyek hirtelen változást okoznak a rendszerben is. A teljesítmény ingadozásának ez a nemkívánatos hatása, hogy a rendszerben továbbítható maximális teljesítményt korlátozza. Az U.S. 5,198,746 számú szabadalmi leírás olyan soros, szilárdtest-kompenzáló elrendezést ismertet, amely vezérelhető módon az átviteli vonalba, az átviteli vonalon folyó árammal 90°-ot bezáró, 60 Hz-es feszültséget iktat. Ez a beiktatott feszültség ugyanolyan kompenzáló hatással rendelkezik, mint amilyent egy változtatható kondenzátorral vagy induktivitással tudunk elérni, amely az átviteli vonalba sorosan van iktatva. A teljesítmény oszcillálásának, illetve ingadozásának a csillapítását reaktív impedancia megfelelő modulációjával lehet biztosítani úgy, hogy a kompenzáló elrendezés lényegében sorosan van a hálózathoz csatlakoztatva. Ily módon tehát akkor, amikor az energia-tápvonalon vagy az energiaellátó vonalon a teljesítmény növekszik, például egy nagyteljesítményű generátor gyorsulása következtében a tápvonal vevő oldalán, és ennek következtében az átviteli szög is növekszik, a kompenzáló elrendezés kapacitív impedanciája megnő azáltal, hogy annak a beiktatott feszültségnek a nagyságát növeljük, amely az árammal 90°-os szöget zár be. Ily módon a soros kompenzálásnak a mértékét is növeljük, és ezáltal növeljük a vonalon továbbítható teljesítményt is. Fordított esetben, amikor tehát az energiaellátó vonalon a teljesítmény csökken, például annak következtében, hogy az adóoldali generátor lelassul, és ennek következtében csökken az átviteli szög, a beiktatott feszültség úgy van megválasztva, hogy a vonali áramot növelje, ennek következtében induktív jellegű kimeneti impedanciát hoz létre, amelynek hatására az átviteli vonal összinduktív impedanciája nő.

Az US 5,198,746 számú szabadalmi leírásban ismertetett soros kompenzáló elrendezés egyen-váltó átalakítót alkalmaz, és ennek segítségével hozza létre a 90°-os feszültséget. Az inverter váltakozó áramok kivezetése az energiaellátó vonallal sorosan van kötve, mégpedig egy csatoló transzformátoron keresztül. Az egyenáramú kivezetésekkel csatlakoztatott kondenzátor az egyenáramú bemeneti feszültséget adja az inverter számára. Mivel az inverter a teljesítményátviteli vonalra kapcsolódó, meddő teljesítményt változtatja csak meg, ily módon a kapacitás semmiféle teljesítményt nem vesz fel. Az inverter kapcsoló áramkörében természetesen fellép némi veszteség. Az a valós teljesítmény, amely ezen veszteségek kompenzálására szolgál egy olyan kompenzáló feszültség létrehozásával van megvalósítva, amelynek a fázisszöge valamivel kisebb, mint 90°.

Az US 5,343,139 számú szabadalmi leírás egy olyan teljesítményáramlás-szabályozót ismertet, amely a teljesítményátviteli vonalakon továbbított teljesítményáramlást szabályozza, előre megadott paraméterek szerint. Ez a teljesítményáramlás-szabályozó szintén alkalmaz egyen-váltó átalakítót, azaz invertert, amely a teljesítményátviteli vezeték feszültségével sorosan kapcsolódó feszültséget hoz létre. Ennek a sorosan kapcsolt feszültségnek a fázisszöge vonali áramhoz képest nincs lényegében 90°-ra behatárolva, ahogyan ez az US 5,198,746 számú szabadalmi leírásban ismertetett kompenzátor esetében, hanem a fázisszög 0 és 360° között bármilyen értékre beállítható. A bevitt feszültség nagyságát és fázisszögét úgy lehet kiválasztani, hogy az átviteli vezeték impedanciájához illeszkedjen, továbbá illeszkedjen ahhoz a fázisszöghöz, amely az átviteli vonal két vége között van, és a vonali feszültség nagyságához. Ez azt jelenti, hogy mind a valós, mind pedig a reaktív vonali impedanciát be kell állítani. Az a valós teljesítmény, amely ahhoz szükséges, hogy az impedancia valós komponensét beállítsuk az egyen-váltó átalakítóhoz, azaz az inverterhez van elvezetve egy olyan váltó-egyen átalakító segítségével, amelynek a váltakozó feszültségű kivezetései az átviteli vonallal párhuzamosan vannak csatlakoztatva, míg az egyenáramú kivezetései a kompenzáló elem egyenáramú kivezetéseihez egy egyenáramú csatoláson keresztül vannak csatlakoztatva, amely kondenzátort tartalmaz. A teljesítményáramlás-szabályozó válaszjele elég gyors ahhoz, hogy a teljesítmény áramlásának a dinamikus szabályozása megvalósítható legyen, ugyanakkor alkalmas arra is, hogy azt az oszcillációt, illetve ingadozást csillapítsa, amely adott esetben a teljesítményátviteli rendszerben kialakulhat. Ez a berendezés azonban elsődlegesen teljesítményáramlás szabályozására vonatkozik, így meglehetősen bonyolult és költségesebb is, mint egy, az

HU 220 262 B

US 5,198,746 számú szabadalmi leírásban ismertetett, soros kompenzáló elrendezés.

Fennáll azonban továbbra is az az igény, hogy a villamos energiaátviteli rendszereknél az esetlegesen fellépő ingadozásokat kompenzálni kell.

Még pontosabban igény van arra, hogy az alkalmazott kompenzáló elrendezések továbbfejlesztésre kerüljenek, és olyan kompenzáló elrendezéseket lehessen alkalmazni, amely mind valós teljesítménymodulációt, mind reaktív teljesítménymodulációt meg tud valósítani, így csillapítva a kimeneti teljesítmény ingadozásait.

Ezen és egyéb igények kielégítésére szolgál a találmány szerinti megoldás, amely olyan soros kompenzáló elrendezést valósít meg, amely a villamos teljesítmény-tápvonalakban fellépő ingadozást, illetve oszcillációt csillapítani tudja, és amely mind valós, mind reaktív teljesítménykapcsolatot hoz létre a teljesítményátviteli rendszerrel. A találmány szerinti megoldás egyik fontos jellemzője, hogy képes ama, hogy a tápvonallal sorosan virtuális, valós impedanciát iktasson be, amely elnyeli azt a valós teljesítményt, amely akkor lép fel, amikor a teljesítmény oszcillálása következtében a generátor felgyorsul. Az oszcilláció azon periódusaiban, amikor a valós teljesítmény a tápvonalon csökken, virtuális, negatív, valós impedancia kerül beiktatásra sorosan az átviteli vonallal, és ily módon valós teljesítmény kerül betáplálásra a rendszerbe. A virtuális, pozitív, valós impedancia lehet például ellenállás, amely változtathatóan van az átviteli vonal valós teljesítményének elnyelésére közbeiktatva. A virtuális, negatív, valós impedancia, amely valós teljesítményt hoz létre, például valamilyen teljesítménytároló lehet. Teljesítménytárolóként alkalmazható telep vagy pedig szupravezető mágnes, amely mindkettő úgy hozza létre a virtuális, pozitív, valós impedanciát, hogy a valós teljesítményt elnyeli, a virtuális, negatív, valós impedanciát pedig úgy hozza létre, hogy valós teljesítményt táplál be. A virtuális, pozitív és negatív impedanciákat a teljesítményátviteli vonalra a reaktív, kompenzáló elrendezésekkel együtt iktatjuk be. A kapcsolóüzem teljesítményátalakító olyan kompenzáló feszültséget hoz létre, amelynek fázisszöge az átviteli vonalon folyó áram fázisszögéhez képest úgy van megválasztva, hogy a megfelelő reaktív és virtuális, valós impedanciákat hozza létre. Az ily módon létrehozott feszültség egy csatoló transzformátoron keresztül van a teljesítményátviteli tápvonal feszültségével sorosan kapcsolva.

A kapcsolóüzemű teljesítményátalakító mind pozitív, mind pedig negatív, reaktív teljesítményt hoz létre attól függően, hogy mire van szükség. A valós teljesítmény betáplálásra kerül, vagy olyan teljesítményátalakító nyeli el, amely a kapcsolóüzemű teljesítmény átalakító egyenáramú kivezetéseire van csatlakoztatva.

Nem feltétlenül szükséges, hogy mind pozitív, mind pedig negatív, valós impedancia rendelkezésre álljon, azonban sokkal pontosabb szabályozás valósítható meg akkor, ha a teljesítményátviteli vonalra mind pozitív, mind negatív, valós impedanciát beiktatunk. Az a tény, hogy a találmány szerinti megoldásnál nincs szükség arra, hogy pozitív és negatív, valós impedanciát iktassunk az átviteli vonalba azért előnyös, mert pozitív impedanciát könnyebben és kisebb költséggel lehet előállítani, mint negatív, valós impedanciát.

A találmány tehát berendezés soros kompenzáció létrehozására, amelynek segítségével teljesítményátviteli tápvonalakban esetlegesen fellépő oszcillációt csillapítani lehet, míg maga a tápvonal kiválasztott vonali feszültséggel és alapfrekvenciával működik.

A találmány lényege abban van, hogy a kompenzáló elrendezés tartalmaz a teljesítmény átviteli rendszer tápvonalával sorosan csatlakoztatott, és a tápvonalba az alapfrekvencián szabályozható nagyságú, és a tápvonalon folyó, váltakozó áramhoz képest adott fázisszöget bezáró - ahol a fázisszög is szabályozható - kompenzáló elemet, például invertert, tartalmaz továbbá a tápvonalba inverteren át teljesítményt betápláló vagy elnyelő egységet, tartalmaz továbbá szabályozót, amely a kompenzációs feszültség nagyságát és fázisszögét szabályozza, amely feszültség az átviteli tápvonalba reaktív és virtuális, valós impedanciát képezően van beiktatva az oszcilláció csillapítására, és váltakozva kapcsolja a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet a kompenzáló elrendezéshez, lehetővé téve, hogy virtuális impedanciaként jelenjen meg a tápvonalon.

Előnyös a találmány, ha a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység legalább egy pozitív, valós impedanciát, például ellenállást tartalmaz.

Előnyös a találmány, ha a pozitív, valós impedancia egy ellenállás.

Előnyös a találmány akkor, ha a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység mind pozitív, mind negatív, valós impedanciát tartalmaz, a szabályozó pedig váltakozva kapcsolja a pozitív és negatív, valós impedanciát a kompenzáló elemhez, például inverterhez, lehetővé téve, hogy virtuális, pozitív, valós impedanciát és virtuális, negatív, valós impedanciát csatlakoztasson a tápvonalhoz.

Előnyös továbbá a találmány akkor, ha teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység legalább egy negatív, valós impedanciát tartalmaz.

Előnyös még a találmány akkor, ha a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység energiatárolót tartalmaz, amely váltakozva tárol valós teljesítményt, amelyet a kompenzáló elrendezés segítségével von el a tápvonalból, a tápvonalon fellépő pozitív teljesítményváltozás esetén. Valós teljesítményt csatol a tápvonalra a kompenzáló elrendezésen keresztül akkor, ha a tápvonalon a teljesítmény oszcillálása során negatív hullám jelenik meg.

A találmány tárgya továbbá kompenzáló elrendezés soros kompenzáció megvalósítására, villamos teljesítményellátó rendszerek tápvonalain és ezzel az ott fellépő oszcilláció csillapítására, ahol a kompenzáló elrendezés az adott tápvonal feszültségének és frekvenciájának megfelelő áramot továbbít.

A találmány szerinti elrendezés lényege abban van, hogy tartalmaz: kapcsoló üzemű teljesítményátalakítót, célszerűen invertert, amely a kimeneten a tápvonal3

HU 220 262 B ra sorosan van csatlakoztatva, és amely a tápvonalba alapfrekvencián szabályozható nagyságú és a tápvonalon folyó áramhoz képest szabályozható fázisszögű kompenzáló feszültséget iktat, tartalmaz továbbá teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet, amely legalább egy pozitív, valós impedanciát, például ellenállást tartalmaz, és a szabályozót, amely szabályozza a változtatható nagyságú és fázisszögű, és a tápvonalba kiválasztott, reaktív vagy virtuális, valós impedanciát beiktató, az oszcilláció csillapítására szolgáló kompenzáló feszültséget, a virtuális, valós impedancia egy teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység kimenetén jelenik meg, és a reaktív impedancia a kapcsoló teljesítményátalakítóban jön létre.

Előnyös a találmány, ha a pozitív, valós impedancia ellenállás.

Előnyös a találmány akkor, ha a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység pozitív és negatív, valós impedanciát, például egy áramnyelőt és egy áramforrást tartalmaz.

Előnyös a találmány akkor is, ha a szabályozó váltakozva kapcsolja a pozitív és negatív, valós impedanciát a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítóhoz, például inverterhez.

Előnyös továbbá a találmány, ha a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység energiatárolót tartalmaz, amely a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítón keresztül a tápvonalról valós teljesítmény elnyelésére van kiképezve. Ily módon biztosítva a tápvonalon az energiaáramláson fellépő pozitív túlnövések esetén a pozitív, valós impedanciát, és amely valós teljesítményt továbbít a tápvonalba a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítón, például inverteren keresztül a tápvonalon fellépő teljesítménycsökkenés esetére negatív, valós impedanciát biztosítóan.

Előnyös a találmány akkor is, ha az energiatároló telep.

Előnyös még a találmány akkor, ha az energiatároló szupravezető mágneses elem.

A találmány tárgya továbbá eljárás soros kompenzáció megvalósítására a teljesítményátviteli tápvonalon bekövetkező oszcilláció csillapítására, ahol az energiatovábbító hálózat váltakozó feszültségű, vonali feszültséget továbbít az alapfrekvencián.

A találmány lényege abban van, hogy az eljárás lépései a következők:

a tápvonallal kompenzáló elrendezést csatlakoztatunk sorosan, amellyel alapfrekvenciájú, a tápvonalon folyó áramhoz képest szabályozható nagyságú és fázisszögű, kompenzáló feszültséget iktatunk, kiválaszthatóan csatlakoztatunk teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet a kompenzáló elrendezésen keresztül a tápvonalra, és a szabályozható nagyságú és fázisszögű, kompenzáló feszültséget szabályozzuk, és kiválasztott reaktív vagy virtuális, valós impedanciát iktatunk a tápvonalba, ily módon csillapítva az oszcillációt. Változtathatóan csatlakoztatjuk a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet a kompenzáló elrendezéshez tartozó átalakítóhoz, például inverterhez, lehetővé téve, hogy ez a virtuális, valós impedanciát a tápvonalra csatlakoztassa.

Előnyös a találmány akkor, ha a tápvonalra csatlakoztatható teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység váltakozva kapcsol ellenállást a tápvonalra, kizárólag a kompenzáló elrendezésen keresztül.

Előnyös a találmány akkor, ha a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység pozitív vagy negatív, valós impedanciát előállító elemeket, például áramforrást és áramnyelőt tartalmaz, ezek vannak a tápvonalra a kompenzáló elrendezés elemein, például az inverteren keresztül csatlakoztathatóan elrendezve, és a tápvonalhoz virtuális, pozitív, valós impedanciát és virtuális, negatív, valós impedanciát csatolnak.

A találmány továbbá eljárás soros vonali kompenzáció megvalósítására, villamos energiaellátó rendszerek tápvonalaiba a teljesítmény oszcillációjának a csillapítására, ahol az energiaellátó rendszer alapvetően alapfrekvenciájú váltakozó áramot továbbít kiválasztott vonali feszültség segítségével.

A találmány lényege abban van, hogy az eljárás a következő lépésekből áll:

kapcsolóüzemű teljesítményátalakítót, például invertert csatlakoztatunk a tápvonallal sorosan úgy, hogy alapvetően alapfrekvenciájú és a váltakozó áramhoz képest szabályozható nagyságú és fázisszögű kompenzáló feszültséget iktatunk segítségével a tápvonalra, teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet alkalmazunk, amely pozitív, valós impedanciát hoz létre, és a változtatható nagyságú és fázisszögű kompenzáló feszültséget úgy szabályozzuk, hogy a kiválasztott reaktív és virtuális, valós impedanciát iktassa oly módon az átviteli vonalba, hogy az oszcillációt csillapítsa, a virtuális, valós impedanciát egy teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység hozza létre, míg a reaktív impedanciát a kapcsolóüzemű átalakítóval hozzuk létre.

Előnyös a találmány akkor, ha a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység egy energiatárolót tartalmaz, és a szabályozás során a kompenzáló feszültségnek a nagyságát és fázisszögét úgy szabályozzuk, hogy az energiatároló a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítón, például inverteren keresztül a tápvonalról a valós teljesítményt elnyelje, és pozitív, valós impedanciát hozzon létre a tápvonalon bekövetkező teljesítménynövekedés esetén, és valós teljesítményt tápláljon a tápvonalra a kapcsolóüzemű átalakítón keresztül, negatív, valós impedanciát létrehozóan akkor, ha a tápvonalon a teljesítmény negatív irányban hirtelen megváltozik.

A találmányt a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével, a mellékelt ábrákon ismertetjük részletesebben.

Az 1. ábrán egyszerűsített változatban látható egy nagyteljesítményű rendszer, a 2. ábrán a hálózaton továbbított teljesítmény és a nagyteljesítményű rendszerhez továbbított teljesítményátviteli szög összefüggése látható, a 3A. ábrán az 1. ábrán bemutatott, nagyteljesítményű energiaellátó rendszer egy példakénti kiviteli alakjának részlete látható,

HU 220 262 B a 3B. ábrán a találmány szerinti rendszerrel bevitt kompenzáló feszültség vektordiagramja látható, a 4A-4D. ábrákon a találmány szerinti hullámformák figyelhetők meg, az 5. ábrán az 1. ábrán bemutatott, nagyteljesítményű energiaellátó rendszerhez alkalmazott, soros kompenzáló elrendezés egy példaként! kiviteli alakja látható, a 6. ábrán a találmány szerinti soros kompenzáló elrendezés egy további példaként! kiviteli alakja látható, amely az 1. ábrán bemutatott rendszerben fellépő teljesítmény ingadozások csillapítására alkalmazható, a 7. ábrán általánosságban mutatjuk be, részben helyettesítő képpel az 1. ábrán bemutatott rendszerhez alkalmazott, soros kompenzáló elrendezés által létrehozott feszültségértékeket, a 8. ábrán a találmány szerinti soros kompenzáló elrendezés blokkvázlata látható, a 9. ábrán a találmány szerinti soros kompenzáló elrendezés belső szabályozójának a blokkvázlata látható, míg a 10. ábrán a 9. ábrán bemutatott, belső kompenzáló elrendezés egy kissé részletesebb kiviteli alakja figyelhető meg.

A találmány szerinti megoldás tehát egy olyan újszerű, soros kompenzáló elrendezés, amely nagyteljesítményű teljesítményátviteli rendszerekben a teljesítmény oszcillációjának a csillapítására alkalmazható. Annak érdekében, hogy a találmány szerinti kompenzáló elrendezés működését és azt, hogy hogyan végzi el a szabályozást, megmagyarázzuk, az 1. ábrán az 1 rendszernek egy vázlatos rajzát mutatjuk be. Az 1 rendszer tartalmaz egy adóoldali 3 generátort, tartalmaz egy ehhez csatlakoztatott, teljesítményátviteli vezetékként alkalmazott 5 tápvonalat, amelyet itt soros X induktív impedanciájával helyettesítünk, tartalmaz továbbá egy vevőoldali 7 nagyteljesítményű rendszert, amely mint egy teljesítményátviteli busz, lényegében végtelen kapacitással rendelkezik. Az 5 tápvonal adóoldali végénél a V_r feszültségvektor található meg, mint feszültségérték, a vevőoldali végén pedig a V_s feszültségvektor jelenik meg, a továbbított P_e villamos teljesítmény pedig a következőképpen fejezhető ki:

P_e=(V_s.V/X)sinö(12 ahol V_s és V_r a V_s és V_r megfelelő feszültségvektoroknak a nagyságát jelenti, a δ szög pedig a V_s és V_r vektorok által bezárt szög. A P_e villamos teljesítmény függvénye a δ szög függvényében rögzített V_s és V_r és X értékeknél a 2. ábrán látható. A 2. ábrán jól látható az is, hogy a maximálisan továbbítható villamos teljesítmény a következő:

P_emax=V_s»VyX (2), amelyet akkor értünk el, ha δ=90°.

A találmány szerinti 1 rendszernél az adóoldali 3 generátor olyan forgó elektromágneses gép, amely a betáplált P_m mechanikai teljesítményt, amelyet általában gőz vagy 9 gázturbina állít elő, alakítja át P_e villamos teljesítménnyé, amellyel azután az 5 tápvonalat látjuk el. Állandósult állapotbeli üzemmód mellett a P_m mechanikai teljesítmény egyenlő, az elhanyagolható veszteségek figyelembevételével, a 3 generátor kimeneti P_e villamos teljesítménnyel, és a 3 generátor és a 9 gázturbina konstans sebességgel fut, konstans az átviteli δ₀ szög is, ahhoz, hogy a P_m=P_e egyensúly megmaradjon. Abban az esetben, ha az energiaellátásban ingadozás vagy oszcilláció lép fel, például a P_e villamos teljesítmény gyakorlatilag pillanatról pillanatra változhat az 5 tápvonalon, gyakran előre nem látható zavarok miatt, például átviteli vonalbeli hiba, vagy valamilyen, az 5 tápvonalra csatlakoztatott berendezésben bekövetkezett hiba okozza, a P_m mechanikai teljesítmény csak nagyon lassan tud változni annak következtében, hogy a mechanikai szabályozás a forgó rendszer nagy inerciája miatt lassabban következik be. Abban az esetben, amikor az 5 tápvonalon hiba vagy egyéb zavar következik be, amely az 1 rendszer zavarához vezet, a 3 generátor lényegesen több mechanikai energiát kap, mint amennyit az 1 rendszerben fellépő hiba miatt továbbítani tudna. Ennek az lesz az eredménye, hogy a 3 generátor elkezd gyorsulni, és az átviteli δ szög nagyobb lesz, mint az állandósult állapotbeli δ₀ szög. A gyorsulás természetesen azt jelenti, hogy a felesleges mechanikai energiát a forgó gép, itt 9 gázturbina, forgó inercia nyomatéka tárolja. Annak érdekében, hogy az állandósult állapotbeli egyensúlyt a hiba után helyre lehessen állítani, ezt a tárolt energiát a forgó mechanikai rendszer által valamilyen formában el kell nyeletni. A teljes elektromechanikus rendszer Q jósági tényezőjétől függően ezen felesleges energia elnyelése egy sor oszcillációs ciklus folyamán történhet meg, amelynek során a villamos teljesítmény a tápellátó rendszerben erősen ingadozik. Adott esetben a teljes rendszer negatív csillapítással rendelkezik, és az oszcilláció nagysága mindaddig növekedni fog, amíg a rendszer védelmi rendszere le nem kapcsolja az ily módon nem megfelelően működő 3 generátort.

Nyilvánvaló az is, hogy elvben az oszcilláció során keletkező teljesítmény - amelyet a rendszer hoz létre két úton csillapítható. A csillapítás egyik módja, hogy a továbbított teljesítményt növeljük vagy csökkentjük attól függően, hogy a generátor gyorsul vagy lassul, és így a villamos teljesítményben pozitív vagy negatív ugrások következnek be. A másik pedig, hogy a felesleges energiát akkor, amikor a generátor gyorsulni kezd, egyszerűen elvonjuk a rendszerből, és ezt követően disszipáljuk, vagy pedig visszavezetjük a rendszerbe egy időleges tárolóhelyről arra az esetre, amikor a generátor lassul.

Az US 5,198,746 számú szabadalmi leírás az elsőként említett megközelítéshez ismertet egy új eljárást. Ennek az eljárásnak a lényege, hogy a soros kompenzáló elrendezés úgy van szabályozva, hogy az 5 tápvonal impedanciáját csökkenti, és ezáltal növeli a továbbított energiát a villamos gép gyorsulási periódusa alatt, és növeli az 5 tápvonal impedanciáját, és ezáltal csökkenti a továbbított energiát a lassulási periódus alatt. Mindez

HU 220 262 B úgy történik, hogy lényegében alapfrekvencián, például 60 Hz-en feszültséget iktat az 5 tápvonalba úgy, hogy az az 5 tápvonalon folyó árammal 90°-os szöget zár be. A bevitt feszültség kapacitív impedanciánál az áramhoz képest 90°-kal késik, míg induktív impedanciánál az áramhoz képest 90°-kal siet. Nyilvánvaló az is, hogy az 5,198,746 számú szabadalmi leírásban ismertetett megoldás a teljesítményellátásban bekövetkezett oszcilláció csillapítására a soros kompenzáló elrendezés kimenő modulációjának a méretezésével valósítható meg. Ez azt jelenti, hogy a bevitt feszültség a vonali áramhoz lényegében 90°-ra van beállítva úgy, hogy a soros kompenzáló elrendezés és a váltakozó áramú rendszer közötti teljesítménybetáplálás vagy -elnyelés lényegében reaktív marad. A találmány szerinti megoldás azon a felismerésen alapul, hogy a soros kompenzáló elrendezés kimenetét két dimenzióban moduláljuk. Ez azt jelenti, hogy a bevitt - célszerűen alapffekvenciás adott esetben 60 Hz-es feszültség és az 5 tápvonalon folyó áram közötti fázisszöget úgy választjuk meg, hogy lehetővé tegye mind a reaktív, mind pedig a valós teljesítményátvitelt a soros kompenzáló elrendezés és a váltakozó áramú 1 rendszer között.

A 3A. ábrán azt látjuk, hogy egy soros 11 kompenzáló elrendezés V_c feszültséget, mint kompenzáló feszültséget iktat be az 5 tápvonalba, a V_L vonali feszültséggel sorosan, a 12 csatoló transzformátoron keresztül. A 3B. ábrán a beiktatott V_c feszültség, valamint az I_L vonali áram vektordiagramja látható, látható továbbá a rendszer feszültségének V_sys vektordiagramja. A 3B. ábrán megfigyelhető, hogy a beiktatott V_c feszültség vektorának van egy V_ci komponense, amely a vonali I_L áram vektorával 90°-os szöget zár be, van továbbá egy olyan V_Cr, amely az I_L vonali áram vektorával fázisban van. A merőleges V_ci komponens virtuális, reaktív impedanciát jelez, amelyet a soros kompenzáló elrendezés reaktív, vonali impedancia kompenzálására hoz létre, az 5,198,746 számú US szabadalmi leírás szerinti módon. A V_Cr feszültségkomponens - amely a valós komponens - olyan virtuális, pozitív, valós impedanciát (ellenállás), vagy virtuális, negatív, valós impedanciát (energiaforrás) jelent, amely az 5 tápvonallal sorosan van csatlakoztatva.

Azáltal pedig, hogy akár a bevitt, reaktív impedanciát, akár pedig a bevitt, valós impedanciát az 5 tápvonalon lévő δ szög változásával összhangban változtatjuk, el lehet érni a teljesítmény ingadozásának a csillapítását. Az a mechanizmus, amely a reaktív impedancia bevitelével csillapítja az ingadozásokat, részletesebben az 5,198,746 számú US szabadalomban található meg. Nyilvánvaló azonban az is, hogy a reaktív, soros kompenzáló elrendezés által létrehozott, növelt energiához képest azáltal, hogy valós, pozitív impedanciát (ellenállás) iktatunk az 5 tápvonalba akkor, amikor az adóoldali 3 generátor például a felesleges mechanikai teljesítmény következtében gyorsul, a felesleges, valós teljesítmény egy része disszipálódik, és ily módon elősegíti, hogy a mechanikus bemeneti teljesítmény és a villamos kimeneti teljesítmény közötti egyensúly a stabil működéshez ellenálljon. Hasonló módon valós, negatív impedancia (lényegében valós teljesítményforrás) beiktatása az 5 tápvonalba akkor, ha az adóoldali 3 generátor nem képes arra, hogy a pillanatnyi teljesítményigényt kielégítse, és ily módon lassulni kezd, lényegében a generátor hátrányait részben kiküszöböli, és ezáltal a rendszer stabilizálódásának a lehetőségét elősegíti.

Lényegében általános megközelítésben azt mondhatjuk el, hogy a találmány szerinti megoldás igen jó hatásfokú csillapítást tesz lehetővé a rendszerben bekövetkező teljesítményoszcillációra vonatkozóan azáltal, hogy egyidejűleg mind reaktív, mind valós impedanciát iktat az 5 tápvonallal sorosan. Mind a valós, mind a reaktív impedancia az átviteli szöggel, és az ennek megfelelő teljesítmény változásával összhangban történik. A reaktív impedanciát úgy szabályozzuk, hogy növeljük a továbbított villamos teljesítményt akkor, amikor az adóoldali 3 generátor gyorsul, és csökkentjük az energiát akkor, amikor az adóoldali 3 generátor lassul. A valós impedanciát úgy szabályozzuk, hogy pozitív legyen, azaz valós teljesítményt fogyasszon, amikor a 3 generátor gyorsul, és negatív legyen, azaz valós teljesítményt hozzon létre, amikor a 3 generátor lassul.

A találmány szerinti eljárással a rendszerben a csillapítás a 4A-4D. ábrákon látható időfüggvények segítségével érhető meg. A 4A. ábrán az átviteli δ szög - amely az átviteli szög - látható az idő függvényében, a 4B. ábrán a P villamos teljesítmény látható az idő függvényében, a 4C. ábrán az X_c kimenő jel, míg a 4D. ábrán az R<. kimenő jel látható a találmány szerinti soros kompenzáló elrendezésre, amely egy maximális, virtuális, kapacitív és egy maximális, induktív impedancia között szabályozható, éspedig úgy, hogy a maximális, virtuális, pozitív és negatív, valós impedancia értékek láthatók az ábrán a t idő függvényében. A 4A. és 4B. ábrákon a szaggatott vonal a csillapítás nélküli állapotot jelöli, míg a folytonos vonal a csillapítás következtében létrejövő állapotot jelenti. Itt jegyezzük meg, hogy ahhoz, hogy a megfelelő csillapítás létrejöjjön, nem feltétlenül szükséges, hogy a valós vagy reaktív kimeneti érték a maximális pozitív és maximális negatív értékek között változzon. Adott esetben megfelelő csillapítás érhető el akkor is, ha a beépített, valós vagy reaktív impedancia nulla, és egy pozitív vagy a negatív maximum között változik. Ahogyan ezt a későbbiekben még részletesen is bemutatjuk, a fent említett tény igen fontos gyakorlati szempontból is, mivel egy olyan soros kompenzáló elrendezés közbeiktatása, amely képes arra, hogy kapacitív vagy induktív, reaktív impedanciához virtuális, pozitív, valós impedanciát is beiktasson, viszonylag egyszerű és kevéssé költséges módon valósítható meg, míg egy olyan megoldás, amely virtuális, negatív, valós impedanciát tud csak beiktatni, viszonylag bonyolult és költséges megoldás. Ez utóbbi eset, tehát amikor csak virtuális, pozitív, valós impedanciát képez a soros kompenzáló elrendezés látható a 4D. ábrán, a virtuális, negatív impedancia a 4D. ábrán szaggatott vonallal van feltüntetve.

Ahogyan erre már a korábbiakban utaltunk, a találmány szerinti, soros 11 kompenzáló elrendezés képes arra, hogy az 5 tápvonallal sorosan virtuális, reaktív

HU 220 262 B és virtuális, valós impedanciát iktasson be egyidejűleg. Ezeknek a virtuális impedanciáknak a nagysága egymástól függetlenül szabályozható a soros 11 kompenzáló elrendezéshez tartozó névleges feszültség és áramértéken belül. A találmány szerinti elrendezés rugalmassága lehetővé teszi, hogy a soros 11 kompenzáló elrendezéshez különböző rendszerviszonyok esetében különböző üzemmódokat válasszunk ki. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy különféle szabályozási stratégiák dolgozhatók ki annak érdekében, hogy a rendszer speciális követelményeit kielégítő kompenzáció jöjjön létre. Egyik előnyös kiviteli alak szerint a soros 11 kompenzáló elrendezés úgy van kialakítva, hogy reaktív, vonali kompenzációt valósít meg, és az elsődleges szerep az, hogy az állandósult állapotbeli, vonali impedanciát kompenzálja, és abban az esetben, ha párhuzamos vonalakról van szó, akkor az áramkiegyenlítést is megvalósítja. Ha azonban bármikor dinamikus zavar lép fel, a soros 11 kompenzáló elrendezés az 5 tápvonalra sorosan virtuális, valós impedanciát is be tud iktatni. A beiktatott, virtuális, reaktív és virtuális, valós impedanciák úgy vannak szabályozva, hogy maximálisra állítsák a 3 generátorra jutó villamos terhelést az első és az ezt követő gyorsulási periódusokban, ugyanakkor minimális legyen a terhelés a lassulási periódusokban. Ezzel a megoldással az átmeneti állapotbeli első tranziens stabilitását, valamint a dinamikus stabilitást, azaz az oszcilláció csillapítását úgy tudjuk megvalósítani, hogy egyidejűleg a kívánt, állandósult állapotbeli, vonali kompenzációfeltételeket is teljesítjük.

A soros 11 kompenzáló elrendezés képes arra, hogy reaktív és valós impedanciakimeneteket hozzon létre, ahogyan ez az 5. ábrán látható. All soros kompenzáló elrendezés tartalmaz egy kapcsolóüzemű teljesítményátalakítót, amely a példakénti kiviteli alaknál egy olyan kapcsolóüzemű átalakító, amely feszültségvezéreit egyen-váltó átalakító, azaz egy 13 inverter, amely GTO-tirisztorokat, azaz 15 kioltható tirisztorokat vagy egyéb, félvezető teljesítmény-kapcsolóelemeket tartalmaz, amelynek segítségével a váltakozó V_c feszültséget az elrendezés létrehozza, amely szükséges a valós és reaktív, soros kompenzációhoz. A 13 inverter váltakozó feszültségű 17 kivezetései egy 12 csatlakozó transzformátor bemenetére vannak elvezetve, amelynek kimenete az 5 tápvonallal van sorosan csatlakoztatva. A 12 csatoló transzformátor és az 5 tápvonal a jobb érthetőség kedvéért csak egy vonallal van jelölve. Természetesen azonban az elrendezés alkalmazható háromfázisú tápvonalra is. Az elrendezéshez tartozik még a 21 szabályozó, amely a vonali áramot és a vonali feszültséget érzékelő bemenettel van ellátva. A vonali áram érzékelésére a 23 áramváltó van az 5 tápvonalhoz csatlakoztatva. Ismételten alkalmazható az elrendezés háromfázis esetében is, a vonali feszültség érzékelésére pedig egy 25 feszültségváltó van az 5 tápvonalra csatlakoztatva, amely szintén kialakítható háromfázisú változathoz is. A 21 szabályozó, a 23 áramváltó és a 25 feszültségváltó kimenő jeleit használja az áram és a feszültség érzékelésére egyrészt, másrészt van egy bemenete, amelyen a szabályozandó paraméterek alapjelei vannak beállítva, és van egy szabályozó bemenete is. A 21 szabályozó kimenete hozza létre a 13 inverterben lévő 15 kioltható tirisztorok kapcsolóvezérlő bemenetelhez szükséges gyújtójelet, és így hozza létre a 13 inverter kimenetén megjelenő, és a pillanatnyi, valós és reaktív impedanciaértékeket reprezentáló V_c feszültséget, amely az 5 tápvonallal van sorosan iktatva. A 21 szabályozó 21.1 bemenete az alapjel, és a 21.2 bemenete a szabályozójel bemenet.

Ahogyan erre már korábban utaltunk, a 13 inverter képes arra, hogy belsőleg virtuális, pozitív és negatív, reaktív impedanciákat hozzon létre. A valós teljesítmény úgy jön létre, hogy az 5 tápvonalba egy olyan teljesítménybetápláló és/vagy -elnyelő 27 egységet iktatunk, amely itt valós impedancia, amely a 13 inverter 29 kivezetéseire van csatlakoztatva. Az 5. ábrán látható példakénti kiviteli alaknál a valós impedancia képezi a 27 egységet, és tartalmaz egy 31 energiatárolót és egy 33 egyen-egyen átalakítót, amely a 31 energiatároló töltését, illetve kisütését vezéreli. A 31 energiatároló például telep vagy szupravezető mágnes lehet. Ebben az esetben a 31 energiatároló az 5 tápvonal felől, a 13 inverteren keresztül valós teljesítményt nyel el, és virtuális, pozitív, valós impedanciát iktat az 5 tápvonalba, és a valós energiát a 13 inverteren keresztül úgy juttatja az 5 tápvonalba, hogy virtuális, negatív, valós impedanciát képezzen. A 33 egyen-egyen átalakító egyenáramú 29 kivezetésére a 35 kondenzátor van iktatva, amely a 13 inverterhez bevezetett egyenfeszültség stabilizálására szolgál.

A 6. ábrán a találmány egy olyan példakénti kiviteli alakja látható, ahol a 27’ egységet egy valós impedancia képezi, amely a 37 ellenállásból és a 39 kapcsolóból áll, amely 39 kapcsolóval egy söntölő 41 dióda van párhuzamosan csatlakoztatva. Ennél a példakénti kiviteli alaknál a soros 11 kompenzáló elrendezés mind pozitív, mind pedig negatív, reaktív impedanciát be tud iktatni, de pozitív impedanciából csak valós impedanciát.

Ez a kiviteli alak kevésbé költséges, mint az 5. ábrán bemutatott kiviteli alak, azonban mégis lényegében kedvezőbb paraméterek érhetők el vele, mint az 5,198,746 számú US szabadalmi leírásban ismertetett kompenzáló esetében, amely csak reaktív impedanciakompenzálást tud megvalósítani.

A 7. ábrán a találmány szerinti megoldás egy általános kiviteli alakja látható a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő27 egység vonatkozásában, ahol a 27” egység valós impedancia, és 43 áramforrást tartalmaz, amelyhez a 45 kapcsoló is tartozik, amellyel a 43 áramforrás a 13 inverter bemenetére csatlakoztatható. Azért, hogy valós teljesítményt (negatív, valós impedanciát) hozzon létre a 13 inverter számára, a 43 áramforrással a 47 áramnyelő van párhuzamosan kapcsolva, amely 49 kapcsolót tartalmaz. Ezen 47 áramnyelő be-, illetve kikapcsolásával lehet valós teljesítményt elnyelni, tehát egy pozitív, valós impedanciát képez. A jobb analízis érdekében a 12 csatoló transzformátort két 51a, 51b és 52c feszültségforrásokkal helyettesítettük, amely az itt háromfázisú 5 tápvonal egy-egy fázisában van elhelyezve.

HU 220 262 B

All soros kompenzáló elrendezés megfelelő működése a 13 inverter megfelelő szabályozásával valósítható meg, amely 13 inverter hozza létre azt a feszültséget, amelyet az 5 tápvonallal sorosan iktatunk. Ily módon tehát a teljes szabályozórendszernek két feladatot kell el- 5 látnia: az egyik egy belső szabályozó funkció, amely lényegében a 13 inverter megfelelő szinkronizálását és működését biztosítja ahhoz, hogy a kívánt feszültséget megfelelő nagyságban és a vonali áramhoz képest megfelelő fázisszögben létrehozza, és ezután ez adja a 10 jelet az 5 tápvonallal sorosan iktatva, és a kívánt mértékű, reaktív impedanciakompenzációt és a valós impedancia beiktatást létrehozza. Másrészt pedig egy külső szabályozó funkciót is ellát, nevezetesen meghatározza azt, hogy milyen reaktív és valós, soros kompenzációra 15 van szükség, azaz mekkora kell legyen a beiktatott feszültség nagysága és fázisszöge ahhoz, hogy az átmeneti stabilitási ingadozásokat maximálisan kiküszöbölje, és ugyanakkor a teljesítmény oszcillációját csillapítsa.

A külső, szabályozó adatok a rendszerrel változnak, 20 és mindenkor a rendszerre jellemzők, ezek a vonali feszültségek, áramok, a frekvencia vagy pedig a körfrekvencia, és ezekből referenciaértékeket hoz létre a 13 inverter belső szabályozásához. Lényegében a külső szabályozó áramkör működése és kialakítása hasonló a 25 már korábban említett 5,198,746 US szabadalomban ismertetett, és ott a reaktív impedancia szabályozására szolgáló elrendezéssel.

A külső, szabályozó körök működése kiterjeszthető úgy, hogy szabályozzák a virtuális, valós impedanciabe- 30 iktatást, amellyel a teljesítmény, illetve a teljesítmény ingadozása vagy oszcillációja rendkívül egyszerű módon csillapítható. Amikor a soros kompenzátornak kapacitív, reaktív impedanciát kell beiktatni ahhoz, hogy a továbbított energiát növelje, a kompenzátor egyide- 35 jűleg pozitív, valós impedanciát is beiktat az 5 tápvonallal sorba, hogy a váltakozó áramú rendszer felől valós teljesítményt nyeljen el (ez azt jelenti, hogy a gyorsuló 3 generátorból elnyelt teljesítmény maximális, az 5 tápvonal a soros, kapacitív kompenzáció következtében na- 40 gyobb teljesítményt továbbít, és ezen túlmenően pedig a soros kompenzátor valós teljesítményt nyel el a hálózatból). Fordított esetben, amikor a kompenzátor induktív, reaktív impedanciát iktat be annak érdekében, hogy a továbbított energiát csökkentse, a kompenzátor egy- 45 idejűleg negatív, valós impedanciát is beiktat (akkor, ha az energiatároló képessége megvan, ahogyan ez az

5. ábrán látható), vagy pedig nulla valós impedanciát iktat be (abban az esetben, ha csak kapcsolt energiaelnyelő elem ellenállás), ahogyan ez a 6. ábrán látható. 50

A 13 inverterhez csatlakoztatott 21 szabályozója látja el a 13 inverter váltakozó áramú, kimenő feszültsége nagyságának és fázisszögének a szabályozását attól függően, hogy a külső szabályozó az adott rendszerre milyen követelményeket állított fel. A 7. ábrán az egyes 55 elemeknél bejelöltük a polaritást, ezt vesszük figyelembe akkor, amikor a belső szabályozást részletesen ismertetjük. A 7. ábrán egyszerűsített rajz segítségével mutatjuk be az elrendezést, a rendszerben fellépő teljesítményveszteségeket elhanyagoljuk, és a 13 invertert a 60 legáltalánosabban használt, háromfázisú kialakításhoz ismertetjük, amelynek tehát a kimenő feszültségei az 5 tápvonallal sorosan vannak csatlakoztatva. A 12 csatoló transzformátor szivárgási induktivitása, amely a 13 invertert az 5 tápvonalhoz csatlakoztatja, az ábrán úgy látható, mint névleges járulékos 53a, 53b és 53c induktív tekercsek, amelyek az 5 tápvonal egy-egy fázisával sorosan vannak csatlakoztatva.

Annak érdekében, hogy a belső szabályozást részletesebben ismertetni tudjuk, mindenképpen szükség van arra, hogy először a soros 11 kompenzáló elrendezés matematikai modelljét leképezzük, azt a matematikai modellt, amelynek alapján a magyarázatok egyértelműek. A matematikai modellnél a pillanatnyi vektorokat használjuk a háromfázisú feszültség és a háromfázisú áram bemutatására, a 13 inverter váltakozó áramú oldalán. Az ábrán tehát három ia, ib, ic fázisáramot jelöltünk be, amelyet egy-egy vektorral írtunk le, illetve egy-egy ortogonális i_ds és i_qs komponenssel. Az i_ds és i_qs komponenseknek az aktuális vonaláramok figyelembevételével a definíciója a következő:

© = tan' l — í ds + í

ιςΙςΙ 2 2 }73-73 2 2	V ib Λ.	(3)
λ
qs			(4)
ds )
qs			(5)

A 3-5 egyenletekben a Θ egy olyan szöget jelöl, amely az áramvektomak a koordinátarendszer ds-tengelyével bezárt szöge, i az áramvektor pillanatnyi nagysága. Hasonló módon a beiktatott, soros R_a, R^, R<, feszültséget is vektoriálisan (ds, qs), koordinátarendszerben adjuk meg, amelyet azután tovább transzformálunk egy olyan forgó referenciakeretre (d, q), ahol a d tengely mindig a vonali áramvektorral egy vonalban helyezkedik el. A feszültségtranszformáció a következőképpen definiálható.

cos(0) CO5^0 —J COS^0+ sin(0) - sin^ 0 - - sin^ 0 —| (6)

Ebben a referenciakeretben a e_d és e_q feszültségvektorok a pillanatnyi, valós és reaktív teljesítménynek megfelelő értékek. Az egyes teljesítménykomponensek a következőképpen írhatók le:

valós teljesítmény (P)⁼“ *^ed reaktív teljesítmény (Q)=y ie_q (7) (8)

A 8. ábrán bemutatott, példakénti kiviteli alaknál ezen definíciókat alkalmaztuk a soros kompenzátor dia8

HU 220 262 B gramjának megrajzolásakor, azaz a szabályozandó rendszerhez. A 8. ábrán a 13 inverter által létrehozott, felharmonikus feszültségeket elhanyagoltuk, és a pillanatnyi egyensúlyt a 13 inverter váltakozó áramú oldalánál lévő teljesítmény és az egyenáramú oldalánál lévő teljesítmény között tételeztük fel. A 8. ábrán látható K, konstans egy olyan állandó, amely az egyenáramú, kapacitív V_c feszültség és a fázisfeszültség e_d, e_q feszültség-csúcsértéke közötti arányt fejezi ki, a 13 inverter váltakozó áramú oldalánál. Ezeket a funkciókat valósítják meg a 8. ábrán látható 53, 55, 57 és 59 szorzóáramkörök. A szabályozási szög, amely jelen esetben β szög úgy van definiálva, hogy az a szög, amellyel a 13 inverter feszültségvektora, azaz a beiktatott, soros feszültségvektor megelőzi a vonali áramvektort. Ezt a β szöget a szabályozórendszer állítja be, és gyorsan, és adott esetben teljesen véletlenszerűen, változhat. A 8. ábrán látható, hogy ez a β szög, a beinjektált feszültség pillanatnyi értékét állítja be az 53 és 57 szorzóáramkörök segítségével.

Az e_q feszültség csúcsértékének aránya a vonali i áram nagyságához képest azt a pillanatnyi „reaktanciát” jelenti, amelyet a 11 kompenzáló elrendezés az 5 tápvonal felé képvisel, míg az e_d feszültség csúcsértékének az aránya az i áramhoz, a pillanatnyi „ellenállásértéket” képviseli. A továbbiakban utalunk még arra, hogy a vonali i áramot lényegében a különböző külső tényezők határozzák meg. Az áram tehát úgy tekinthető, mint független bemenet az adott rendszerhez.

A 8. ábrán látható szabályozó β szög befolyásolja a 13 inverter váltakozó áramú kivezetésénél fellépő P_ac teljesítményt, amelyet a 61 és 63 szorzóáramkörök segítségével állítunk elő, az e_d feszültségből és a vonali i áramból, amely e_d feszültség az 59 szorzóáramkör kimenetén jelenik meg. A 13 inverter váltakozó áramú oldala egy ugyanekkora, egyenáramú-oldali teljesítményhez van illesztve úgy, ahogyan ez a 65 egységnél látható, amelynek segítségével a pillanatnyi kapacitáshoz kialakított i, töltőáramot hozza létre. Az ή és i₂ töltőáramok összege a 67 integráló tagba van vezetve, ahol az integrálási tényezőt a 35 kondenzátor határozza meg, és ennek következtében a kapacitív feszültség és az e_d és az e_q feszültség is megváltozik.

A 9. ábrán a találmány szerint javasolt, belső szabályozórendszer blokkvázlata látható. A 69 külső szabályozó az X* reaktancia értékére és az R* ellenállás értékére vonatkozó kívánságokat adja meg, amelyet annak alapján állapítja meg, hogy milyenek az 5 tápvonalon lévő viszonyok. Ezeket pedig a már korábban említett 23 áramváltó és 25 feszültségváltó adataiban határozza meg, továbbá figyelembe veszi az energiaellátó rendszer paramétereit. A 9. ábrán tehát a 69 külső szabályozónak az X* reaktanciára vonatkozó alapjele, kimenőjele és az R* ellenállásra vonatkozó kimenőjele van, amely be van vezetve a 71 egységbe, amely létrehozza ezekből a Z* impedanciát, amely mint impedancia alapjel jelenik meg. Az X* reaktancia, mint alapjel, valamint a beállított R_t* ellenállás értéke, mint alapjel kerül felhasználásra a szabályozó β szög meghatározásához. A Z* impedancia értéke alapjelként van a 73 szorzóegységbe bevezetve, amelybe még be van vezetve a vonali áramnak megfelelő jel is, és a kettőnek a szorzatából kapjuk meg az e* feszültséget, amely a kívánt, beiktatandó, soros feszültségnek felel meg. Mivel a V_c feszültség, amely az egyenáramú, kapacitív feszültség, közvetlenül határozza meg a soros, váltakozó feszültség nagyságát, a 75 visszacsatoló hurokra is szükség van, amely a V_c értéket szabályozza. A 73 szorzóegység kimenetén megjelenő e* feszültségjel a 77 különbségképző pozitív bemenetére van elvezetve, míg ugyanennek a 77 különbségképzőnek a negatív bemenetére az e jel van elvezetve, amely a V_c feszültségnek a 79 szorzóegységben, Ki tényezővel történő szorzása után jön létre. A 77 különbségképző kimenete a 81 szabályozóhoz van egyrészt elvezetve, amelynek kimenőjele vagy a 43 áramforrást, vagy pedig a 47 áramnyelőt hozza működésbe, attól függően, hogy milyen V_c feszültségre van szükség, illetve hogy milyen feszültségre van szükség ahhoz, hogy a V_c értéktől való eltérés korrigálásra kerüljön. A 9. ábrán a 81 szabályozó egy egyszerű ablakkomparátor, de bármilyen egyéb lineáris szabályozó is alkalmazható.

Az előbb említett fő szabályozófunkción túlmenően a további feladatot is ellátja a rendszer, történetesen biztosítja azt, hogy vagy csak a 47 áramnyelő vagy csak a 43 áramforrás működjön, egyszerre azonban ne lehessenek bekapcsolva. Ha az egyenáramú hibajel egy előre megadott küszöbértéket túllép, akkor a 83 erősítőbe kerül bevezetésre, amely ebből egy 85 osztóáramkörben impedanciát állít elő úgy, hogy a bejövő feszültséget elosztja az árammal. A 85 osztóáramkör kimenete egy 87 szorzóáramkörre jut, ahol a 85 osztóáramkör kimenetén kapott ellenállásérték k, konstanssal kerül szorzásra. Ily módon a 87 szorzóáramkör kimenetén Rj* ellenállásjelenik meg, amely 89 összegző áramkörbe van bevezetve, ahova az R* ellenállás is be van vezetve. Ez biztosítja, hogy a valós teljesítmény, amely az 5 tápvonalra, illetve onnan elvezetésre kerül, mindig figyelembe van véve az egyenfeszültség szabályozásnál akkor, amikor a szabályozás nem valósítható meg egyszerűen a 43 áramforrás vagy a 47 áramnyelő be-, illetve kikapcsolásával. Ezen túlmenően pedig figyelembe van véve a 69 külső szabályozóból érkező R* ellenállás, mint alapjel is, olyan mértékben, hogy nem igényel több valós teljesítményt, mint amennyit a 13 inverter el tud nyelni vagy ki tud bocsátani.

A 91 összegző áramkörbe a β szög értékét, és a vonali i áram vektorára jellemző Θ szög értékét összeadjuk, így kapjuk meg az eredő φ szöget, amely a soros feszültségvektorra vonatkozó szög, amelyet a 93 adattáblázatban használunk fel, a 13 inverterben lévő 15 kioltható tirisztorok állapotának meghatározásához. A 93 adattáblázat egymás után tárolja a kapcsolóállapotra vonatkozó adatokat, és kizárólag a φ szög függvényében változtatható, amely a soros feszültségvektomak a kívánt szöge. A 93 adattáblázat tartalma természetesen különböző 13 inverterekhez - attól függően, hogy milyen a felépítésük, illetve a harmonikus csökkentésük különböző lehet. A kimenőjel pedig beállítja az aktuális, meghajtó áramköröket, amelyek a 15 kioltható ti9

HU 220 262 B risztorokat, mint félvezetős kapcsolóelemeket vezérli. Összefoglalva tehát, a visszacsatoló i áram a Θ szög mindenkor az aktuális, mért értékekből van származtatva. Az ábrán látható még a 95 fáziszárt hurok (PLL), amely a Θ szög értékét a háromfázisú i áram egyes vektoraira jellemző, egymásra merőleges i_ds és i_qs komponensekből határozza meg, amelyet lényegében a 97 vektorfelbontó egység hoz létre az i_a, i_b és i_c fázisáramokból. Az egymásra merőleges i_ds és i_qs komponenseket használja fel a 99 vektomagyság-számoló is, ebből határozza meg ugyanis az i áram nagyságát. A 99 vektornagyságszámító-egység kimenete még egy 101 korlátozó áramkörre is el van vezetve, amely az i áram nagyságára egy pozitív, alsó határértéket állapít meg, mielőtt az a 85 osztóáramkörbe tovább lenne vezetve. Ily módon akadályozzuk meg, hogy a 85 osztóáramkör kimenete adott esetben túl nagy legyen.

A 10. ábrán részletesebben látható a 97 vektorfelbontó analizátor, a 95 fáziszárt hurok, valamint a 99 vektomagyságszámító-egység. A 97 vektorfelbontó analizátor a mért i_a, i_b és i_c fázisáramokból a forgó referenciarendszerben lévő áramvektorok valós és imaginárius i^ és i_qs komponenseit hozza létre. Ez lényegében a (3) egyenlet megvalósításával történik. A 99 vektornagyságszámító-egység az (5) egyenlet segítségével az egyes áramvektorok nagyságát számítja ki.

A vonali i áramnak a Θ szöge a találmány szerinti példakénti kiviteli alaknál a (4) egyenlet szerinti arkusztangens számításával nem számítható ki, hanem a 95 fáziszárt hurok segítségével, amely szorosan követi az i áram vektorának szögbeli elfordulását, amely áramvektorok i^ és i_qs komponenseit a 97 vektorfelbontó analizátor adja meg. A valós i_ds komponenst a 103 szorzóegységben a 105 szinuszgenerátorból levett sin ©jellel szorozzuk meg. A szorzatot a 107 különbségképzőben kivonjuk a 109 szorzóegységben létrehozott i_qs áramnak a 111 koszinusz jelgenerátorból származtatott, cos Θ szög értékkel előállított szorzatából. A 107 különbségképzőből a különbségjel a 113 differenciálótagon és a 115 integrálótagon keresztül vezetve hozza létre a Θ szöget.

A találmány szerinti soros 11 kompenzáló elrendezés szabályozható, reaktív, vonali kompenzációt és virtuális, valós impedancia beiktatást valósít meg, amely a különféle teljesítményátviteli, nagyteljesítményű rendszerekben hatásos módon javítja a tranziens stabilitást, és az esetlegesen fellépő oszcilláció csillapítását.

A találmányt egy példakénti kiviteli alakjával mutattuk be, a területen jártas szakember azonban számos olyan módozatát tudja megvalósítani, amely a találmány kitanítása értelmében valósul meg, és csak részletekben különbözik.

Claims (18)

1. Berendezés soros kompenzáció megvalósítására, villamos teljesítményátviteli tápvonalakban (5) az ott fellépő teljesítményoszcilláció csillapítására, ahol a tápvonal (5) adott feszültségű és alapffekvenciájú áramot továbbít, azzal jellemezve, hogy a kompenzáló elrendezés (11) tartalmaz:

a teljesítményátviteli rendszer tápvonalába (5) sorosan csatlakoztatott, és a tápvonalba (5) az alapfrekvencián szabályozható nagyságú, és a tápvonalon (5) folyó, váltakozó áramhoz képest adott fázisszöget bezáró ahol a fázisszög is szabályozható - kompenzáló elemet, például invertert (13, tartalmaz továbbá az inverteren (13) át a tápvonalba (5) teljesítményt betápláló vagy elnyelő egységet (27), tartalmaz továbbá szabályozót (21), amely a kompenzációs feszültség nagyságát és fázisszögét szabályozza, amely feszültség az átviteli tápvonalba (5) reaktív és virtuális, valós impedanciát képezően van beiktatva az oszcilláció csillapítására, és váltakozva kapcsolja a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet (27) a kompenzáló elrendezéshez (11), lehetővé téve, hogy virtuális impedanciaként jelenjen meg a tápvonalon (5).

2. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) legalább egy pozitív, valós impedanciát, például ellenállást (37) tartalmaz.

3. A 2. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a pozitív, valós impedancia egy ellenállás (37).

4. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) mind pozitív, mind negatív, valós impedanciát tartalmaz, a szabályozó (21) pedig váltakozva kapcsolja a pozitív és negatív, valós impedanciát a kompenzáló elemhez, például inverterhez (13), lehetővé téve, hogy virtuális, pozitív, valós impedanciát és virtuális, negatív valós, impedanciát csatlakoztasson a tápvonalhoz (5).

5. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzaljellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) legalább egy negatív, valós impedanciát tartalmaz.

6. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) energiatárolót (31) tartalmaz, amely váltakozva tárol valós teljesítményt, amelyet a kompenzáló elrendezés segítségével von el a tápvonalból (5), a tápvonalon (5) fellépő pozitív teljesítményváltozás esetén, majd valós teljesítményt hoz a tápvonalra (5) a kompenzáló elrendezésen keresztül akkor, ha a tápvonalon (5) a teljesítmény oszcillálása során negatív túllökés jelenik meg.

7. Berendezés soros kompenzáció megvalósítására vaillamos teljesítményátviteli tápvonalakban (5) fellépő teljesítményoszcilláció csillapítására, ahol a tápvonal (5) adott feszültségű és alapfrekvenciájú áramot továbbít, azzal jellemezve, hogy a kompenzáló elrendezés (11) tartalmaz kapcsolóüzemű teljesítményátalakítót, célszerűen invertert (13), amely a kimeneten a tápvonalra (5) sorosan van csatlakoztatva, és amely a tápvonalba (5) alapfrekvencián szabályozható nagyságú és a tápvonalon (5) folyó áramhoz képest szabályozható fázisszögű kompenzáló feszültséget iktat, tartalmaz továbbá teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet (27’), amely legalább egy pozitív, valós

HU 220 262 B impedanciát, például ellenállást (37) tartalmaz és szabályzót (21), amely szabályozza a változtatható nagyságú és fázisszögű, és a tápvonalba (5) kiválasztott, reaktív vagy virtuális, valós impedanciát beiktató, kompenzáló feszültséget az oszcilláció csillapítására, a virtuális, valós impedancia egy teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27’) kimenetén jelenik meg, és a reaktív impedancia a kapcsoló teljesítményátalakítóban jön létre.

8. A 7. igénypont szerinti kompenzáló elrendezés, azzal jellemezve, hogy a pozitív, valós impedancia ellenállás (37).

9. A 7. igénypont szerinti kompenzáló elrendezés, azzal jellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) pozitív és negatív, valós impedanciát, például egy áramnyelőt (47) és egy áramforrást (43) tartalmaz.

10. A 9. igénypont szerinti kompenzáló elrendezés, azzal jellemezve, hogy a szabályozó (21) váltakozva kapcsolja a pozitív és negatív, valós impedanciát a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítóhoz, például inverterhez (13).

11. A 9. igénypont szerinti kompenzáló elrendezés, azzal jellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) egy energiatárolót (31) tartalmaz, amely a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítón keresztül a tápvonalról (5) valós teljesítmény elnyelésére van kiképezve, ily módon biztosítva a tápvonalon (5) az energiaáramláson fellépő, pozitív túlnövések esetén a pozitív, valós impedanciát, és amely valós teljesítményt továbbít a tápvonalba (5) a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítón, például inverteren keresztül a tápvonalon (5) fellépő teljesítménycsökkenés esetére, negatív, valós, impedanciát biztosítóan.

12. A 11. igénypont szerinti kompenzáló elrendezés, azzal jellemezve, hogy az energiatároló (31) egy telep.

13. Az 1. igénypont szerinti kompenzáló elrendezés, azzal jellemezve, hogy az energiatároló (31) szupravezető mágneses elem.

14. Eljárás soros kompenzáló megvalósítására teljesítményátviteli tápvonalakban (5) bekövetkező teljesítményoszcilláció csillapítására, ahol a tápvonal adott feszültségű és alapfrekvenciájú áramot továbbít, azzal jellemezve, hogy az eljárás lépései a következők:

a tápvonallal (5) kompenzáló elrendezést (11) csatlakoztatunk sorosan, amellyel alapfrekvenciájú, a tápvonalon (5) folyó áramhoz képest szabályozható nagyságú és fázisszögű kompenzáló feszültséget iktatunk, kiválaszthatóan csatlakoztatunk teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet (27) a kompenzáló elrendezésen keresztül a tápvonalra (5), és a változtatható nagyságú és fázisszögű kompenzáló feszültséget szabályozzuk és kiválasztott, reaktív vagy virtuális, valós impedanciát iktatunk ennek alapján a tápvonalba (5), ily módon csillapítva az oszcillációt, és változtathatóan csatlakoztatjuk a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) a kompenzáló elrendezéshez (11) tartozó átalakítóhoz, például inverterhez (13), lehetővé téve, hogy ez a virtuális, valós impedanciát a tápvonalra (5) csatlakoztassa.

15. A 14. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a tápvonalra (5) csatlakoztatható teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) váltakozva kapcsol ellenállást (37) a tápvonalra (5), kizárólag a kompenzáló elrendezésen (11) keresztül.

16. A 14. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) pozitív vagy negatív, valós impedanciát előállító elemeket, például áramforrást (43) és áramnyelőt (47) tartalmaz, ezek vannak a tápvonalra (5) a kompenzáló elrendezés (11) elemein, például az inverteren (13) keresztül csatlakoztathatóan elrendezve, és ezek a tápvonalhoz (5) virtuális, pozitív, valós impedanciát és virtuális, negatív, valós impedanciát csatolnak.

17. Eljárás soros, vonali kompenzáció megvalósítására, villamos teljesítményátviteli tápvonalakban (5) az ott fellépő teljesítményoszcilláció csillapítására, ahol az energiaellátó rendszer alapvetően alapfrekvenciájú, váltakozó áramot továbbít, adott vonali feszültségek segítségével, azzal jellemezve, hogy az eljárás a következő lépésekből áll:

kapcsolóüzemű teljesítményátalakítót, például invertert (13) csatlakoztatunk a tápvonallal (5) sorosan úgy, hogy alapvetően alapfrekvenciájú és a váltakozó áramhoz képest szabályozható nagyságú és fázisszögű kompenzáló feszültséget iktatunk segítségével a tápvonalra (5), teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egységet (27) alkalmazunk, amely pozitív, valós impedanciát hoz létre, és a szabályozható nagyságú és fázisszögű kompenzáló feszültséget úgy szabályozzuk, hogy a kiválasztott, reaktív és virtuális, valós impedanciát iktassa oly módon az átviteli vonalba (5), hogy az oszcillációt csillapítsa, a virtuális, valós impedanciát egy teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) hozza létre, míg a reaktív impedanciát a kapcsolóüzemű átalakítóval hozzuk létre.

18. A 17. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a teljesítménybetápláló vagy -elnyelő egység (27) egy energiatárolót (31) tartalmaz, és a szabályozás során a kompenzáló feszültségnek a nagyságát és fázisszögét úgy szabályozzuk, hogy az energiatároló (31) a kapcsolóüzemű teljesítményátalakítón, például inverteren (13) keresztül a tápvonalról (5) a valós teljesítményt elnyelje, és pozitív, valós impedanciát hozzon létre a tápvonalon (5) bekövetkező teljesítménynövekedés esetén, és valós teljesítményt tápláljon a tápvonalra (5) a kapcsolóüzemű átalakítón keresztül, negatív, valós impedanciát létrehozóan akkor, ha a tápvonalon (5) a teljesítmény negatív irányban hirtelen megváltozik.