SE504302C2 - Styrutrustning för en i en elektrisk kraftledning inkopplad seriekondensator - Google Patents

Description

504 302 :_ Normalt förekommer inom detta frekvensområde tre till fem olika mekaniska resonansmoder med varierande mekanisk dämp- ning vid varje generator-turbin-aggregat.

SSR-svängningar har visat sig kunna leda till så stora pàkänningar i axelsystemen att bestående skada eller total- haveri uppstår. Flera metoder för dämpning av eller undvi- kande av SSR har därför föreslagits.

Sålunda är det, t ex genom den svenska utläggningsskriften 446 289, känt att anordna dämpmotstånd som är ständigt inkopplade eller som kopplas in när SSR detekteras. Sådana motstånd får dock stora dimensioner och eventuellt även hög effektförbrukning och blir dyrbara och utrymmeskrävande.

Det har därför föreslagits att seriekondensatorn kan utföras styrbar och styras pà sådant sätt att en dämpning av SSR erhålles. Genom den svenska utläggningsskriften 465 596 är en sådan seriekondensatorutrustning tidigare känd. Utrust- ningen har mät- och filtreringsorgan anordnade att detektera uppträdandet av en SSR-svängning och att bilda en mot SSR- svängningen svarande storhet. Denna storhet tillförs styror- gan anordnade att styra halvledarventilen pá sådant sätt att en dämpning av uppträdande SSR-svängningar erhålles. På detta sätt kan i princip en förlustfri dämpning av SSR- svängningar åstadkommas, och detta enbart genom en lämplig utformning av seriekondensatorns styrorgan. Det har dock i praktiken visat sig svårt att på ett godtagbart sätt ur upp- mätta driftstorheter hos kraftledningen eller kondensatorn isolera en SSR-komponent eftersom denna bör kunna detekteras redan vid låg nivå. En ytterligare svårighet är att man på förhand måste känna frekvenserna för samtliga svängnings- moder för subsynkrona svängningar som kan bli kritiska vid något kopplingstillstånd (viss konfiguration av ledningarna) i nätet. Kritiska moder beror av vilka ledningar som är inkopplade respektive urkopplade, vilka generatorer som lig- ger inkopplade, samt vilka seriekondensatorer som är inkopp- lade vid ett visst tillfälle. hç; - 3 504 302 I USA-patentskriften 5 202 583 beskrivs en anordning av inledningsvis angivet slag för snabb finstyrning av en i en kraftledning inkopplad seriekondensator. Genom en predikte- rande styrning av halvledarventilens tändtidpunkter kan ett önskat tillskott till kondensatorspänningen snabbt inställas och bibehàllas. Det beskrivna systemet torde kunna dämpa sådana subsynkrona elektriska svängningar som förorsakas av transienta förlopp. Systemet blir dock beroende av ett fler- tal interna och externa parametrar och kan därför inte under de i praktiken förekommande varierande driftförhàllandena effektivt förhindra uppkomst av subsynkrona resonanssväng- ningar (SSR-svängningar).

Den europeiska patentansökningen med publiceringsnummer O 571 642 beskriver en tyristorstyrd seriekondensator, vil- ken kan överbryggas av en ventilavledare eller av en elkopp- lare. Skriften anger hur en intern synkroniseringssignal för styrning av tyristorerna kan àstadkommas och bibehàllas även vid överbryggat tillstànd hos kondensatorn.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en enkel och i princip förlustfri utrustning av inledningsvis angivet slag, vilken effektivt dämpar eller helt förhindrar subsynkrona resonan- ser oberoende av variationer i driftförhàllanden eller nät- data, och vilken samtidigt härmed möjliggör en av SSR-dämp- ningen oberoende styrning av seriekondensatorns effektiva impedans vid systemfrekvensen.

Vid en utrustning enligt uppfinningen styrs halvledarventi- len pà sådant sätt att seriekondensatorutrustningens sken- bara impedans inom hela det för SSR-svängningar aktuella området blir induktiv i stället för kapacitiv. Det har visat sig att SSR-svängningar härigenom kan effektivt dämpas eller helt elimineras.

Detta åstadkommes enligt uppfinningen genom att halvledar- ventilen styrs på sådant sätt att kondensatorspänningens 504 302 "f nollgenomgàngar förblir ekvidistanta under förlopp dà linje- strömmen förutom sin grundtonskomponent innehàller subsyn- krona komponenter. Seriekondensatorutrustningen kommer här- igenom systematiskt att uppvisa en induktiv karaktär inom hela det för SSR intressanta frekvensområdet, och detta gäl- ler oberoende av kondensatorns utstyrning, oberoende av kraftledningens eller kraftnätets karakteristika och obero- ende av storleken hos grundtonsströmmen i kraftledningen.

Vid en utföringsform av uppfinningen innefattar styrorganen ett kommandosignalgenererande organ, företrädesvis en till kraftledningsströmmen synkroniserad faslàst krets, anordnat att avge ekvidistanta och av SSR-komponenter i huvudsak obe- roende kommandosignaler vilka används som referens vid ini- tiering av halvledarventilens tändning. Varje tändning av halvledarventilen orsakar en omladdning av kondensatorn, och omladdningstiden beror av de värden som kondensatorspän- ningen och linjeströmmen har vid tändningen. En beräknings- krets anordnas därvid att i beroende av kondensatorspän- ningen och linjeströmmen bestämma tändtidpunkten sà att kon- densatorspänningens nollgenomgångar alltid inträffar en viss fast tid efter kommandosignalen.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen anordnas ett överordnat styrorgan för styrning av kondensatorspän- ningens grundtonskomponent. Det överordnade styrorganet innefattar dà organ anordnade att bilda en tillstàndsstor- het, som beror av det tillskott i kondensatorspänningen som àstadkommes genom inverkan av halvledarventilen, och att i beroende av skillnaden mellan tillstándsstorheten och ett referensvärde styra tidpunkterna för kondensatorspänningens nollgenomgàngar. Härigenom ger uppfinningen möjlighet för en styrning av seriekondensatorns inverkan vid systemfrekven- sen, dvs av graden av seriekompensering, och detta samtidigt som den fördelaktiga SSR-dämpningen enligt uppfinningen hela tiden är aktiv.

Vad som kännetecknar en styrutrustning enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav. s 504 302 Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-ll. Figur l visar huvud- komponenterna hos en styrbar seriekondensatorutrustning av det slag som uppfinningen avser. Figur 2 visar spänning och ström som funktion av tiden vid en utrustning enlig figur l.

Figur 3 visar ström och spänning under ett omsvängningsför- lopp. Figur 4 visar en idealiserad bild av kondensatorns spänning och ström vid en viss utstyrningsgrad. Figur 5 visar som bakgrund till härledningen av utrustningens sken- bara impedans hur tidpunkterna för sampling av kondensator- spänningen ligger i förhållande till halvledarventilens tändtidpunkter. Figur 6 visar hur kondensatorutrustningens skenbara impedans varierar med frekvensen inom det subsyn- krona frekvensomrádet. Figur 7 visar principen för en styr- utrustning enligt uppfinningen. Figur 8 visar som funktion av tiden i samband med en tändning av halvledarventilen kom- mandosignalen samt strömmen genom halvledarventilen. Figur 9 visar funktionen hos den del av styrutrustningen som fast- ställer tidpunkten för tändning av halvledarventilen. Figur visar en alternativ utföringsform av en utrustning enligt uppfinningen, där ett reglersystem är anordnat för reglering av kondensatorutrustningens utstyrningsgrad. Figur ll visar en alternativ utföringsform av styrutustningen, där konden- satorns utstyrningsgrad normalt är làg men ökas i beroende vid behov av SSR-dämpning.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1 visar en seriekondensator 1 inkopplad i en elektrisk kraftledning 2. Här och i det följande visas och beskrivs för enkelhets skull enfasiga ledningar och kondensatorut- rustningar.

I kraftledningen flyter strömmen iL, vilken är bestämd av kraftledningen och det nät i vilken den ingàr. Spänningen över kondensatorn betecknas med uc. Kraftnätets systemfrek- 504 302 6 WN vens är fN = :_ och är normalt 50 Hz eller 60 Hz. Kondensa- TE torn har vid systemfrekvensen den kapacitiva reaktansen xc = där C är kondensatorns kapacitans. 0N'C Parallellt med kondensatorn är en styrutrustning CE ansluten för styrning av kondensatorn. Styrutrustningen består av en i båda riktningarna styrbar halvledarventil 3 som är serie- kopplad med en induktor 4. Halvledarventilen 3 bestàr i det visade utföringsexemplet av två antiparallellkopplade tyris- torventiler 3a och 3b.

Induktorn 4 har en induktans L och därmed vid systemfrekven- sen en induktiv reaktans xv = ww-L. Induktansen L hos induk- torn 4 är sà vald i relation till kondensatorns 3 kapacitans att xv < xc vilket innebär att egenfrekvensen hos den av kondensatorn och induktorn bildade svängningskretsen är högre, företrädesvis väsentligt högre, än nätets systemfrek- vens. Typiska värden för kretsens egenfrekvens faller inom området 2,5 - 5 gånger nätfrekvensen.

I stationärt tillstànd leder halvledarventilerna i intervall som symmetriskt omsluter kondensatorspänningens nollgenom- gàngar. Figur 2 visar schematiskt kondensatorspänningen ug, linjeströmmen iL och ventilströmmen iv som funktioner av tiden t. Vid exempelvis den nollgenomgàng, vid vilken kon- densatorspänningen byter tecken fràn negativt till positivt tecken, tänds halvledarventilen (ventil 3b) vid tidpunkten tg och en strömpuls iv genomflyter den av kondensatorn, induktorn och halvledarventilen bildade kretsen. Vid t=tE blir strömmen genom halvledarventilen noll, och ventilen slocknar.

Figur 3 visar mera i detalj storheternas ug, iL och iv för- lopp i samband med kondensatorspänningens nollgenomgàng.

Halvledarventilen tänds vid t=tg och kondensatorspänningen ug har då värdet uco. Om förlusterna försummas har kondensa- torspänningen vid_slutet av ventilens ledintervall, dvs vid v 504 302 t=tE, värdet -uco. Spänningen är då lika stor som spänningen vid ledintervallets början men har motsatt polaritet. Styr- utrustningens funktion är alltså att reversera kondensatorns momentana spänning. Detta innebär som framgår av figur 3 ett tillskott Aus (ibland kallat spänningsboost) till kondensa- torspänningens ändring under intervallet tg till tg utöver vad som förorsakas av linjeströmmen under samma intervall.

Genom lämplig styrning av halvledarventilen kan pà detta sätt kondensatorspänningen styras. En tidigareläggning av tändtidpunkten tp ger ett ökande värde pà storheten Aus, vilket kan uttryckas som en ökande utstyrning av kondensa- torn. Storheten Aus kan anses som ett màtt pà kondensatorns utstyrning, och en ökning av Aus ger en ökning av kondensa- torspänningen och av kondensatorns effektiva impedans vid systemfrekvensen.

Eftersom omsvängningen av kondensatorspänningen äger rum vid linjeströmmens toppvärde, och eftersom tiden för omsväng- ningen är kort i förhàllande till nätspänningens halva periodtid, kan linjeströmmen iL anses som approximativt kon- stant under omsvängningsförloppet och är visad som en rät linje i figuren.

Tidsintegralen (strömtidytan) av ventilströmen iv under omsvängningsförloppet är qv, och det är denna laddningsmängd som ger kondensatorn det nämnda spänningstillskottet Aus.

I praktiken uppträder oundvikliga förluster i omsvängnings- kretsen. Om hänsyn tas till dessa förluster kan man ansätta Ucüs) = -D°uc(tr) där O < D < 1 är en faktor som karakteriserar kretsens godhetstal. Faktorn D ligger i praktiken relativt nära vär- det l och kan i praktiken anses ligga inom intervallet 0,90 - 0,95.

När man minskar induktansen i den tyristorstyrda induktiva gren, som är parallellkopplad med seriekondensatorn, kommer tyristorernas ledintervall att bli allt kortare och tyris- torströmmens toppvärde att bli allt större. Funktionen att 504 302 a reversera spänningen kvarstår dock oförändrad. Det visar sig att funktionen "reversering av kondensatorspänningen" är en lämplig utgångspunkt för härledning av interaktionen mellan en tyristorstyrd seriekondensator och det transmissionssys- tem i vilket kondensatorn ingàr.

För analys av kretsens funktion kan i många fall spännings- reverseringarna ses som momentana (motsvarande induktansen noll). Om en sådan idealiserad seriekondensatorutrustning arbetar pà en transmissionsledning med en viss ström kommer i stationärt tillstànd spänningsreverseringarna att inträffa vid seriekondensatorspänningens nollgenomgàngar och med en frekvens som är den dubbla nätfrekvensen.

Figur 4 åskådliggör funktionen hos sådan idealiserad serie- kondensatorutrustning. Den momentana omsvängningen av kon- densatorspänningen sker vid t=t0, dvs vid kondensatorspän- ningens naturliga nollgenomgáng (och vid linjeströmmens toppvärde). Omsvängningen ger tillskottet (spänningsboosten) Aus till kondensatorspänningen uc.

En pà den stationära linjeströmmen överlagrad infinitesimal växelström Ai(t) = Aï cos Qt = Re [Aï ejgt] med vinkelfrekvensen §2framkallar en tillsatsspänning Au över seriekondensatorn. Denna tillsatsspänning innehåller en komponent med frekvensen Q,vilken kan framställas som Anm) = An cos(Qt+(-9) = Re [An efi9 efiflt] Kvoten Aü ej@ Ai är dà ett mått pà den skenbara impedans som kondensatorut- Z(Q) = rustningen (kondensator med tillhörande styrutrustning) uppvisar för pàtryckta strömmar med vinkelfrekvensen S2. Ett uttryck för Z(Q) skall härledas i det följande.

Härledningen utföres enklast för ett diskret system där spänningen samplas vid tidpunkter tk, tk+1, tk+2 osv. Samp- lingstidpunkterna_är belägna mitt emellan de tidpunkter då 9 504 302 spänningsreverseringarna inträffar (spänningen i en samp- lingstidpunkt är då ett gott màtt pà tillsatsspänningens medelvärde under den aktuella halvperioden). Figur 5 visar samplingstidpunkterna tk, tk+1, tk+2. Samplingsintervallets längd är h, dvs tk+1-tk = h. Spänningsreverseringarna inträf- far mitt emellan samplingstidpunkterna, dvs vid tk+h/2, tk+1+h/2 osv och är i figuren symboliskt visade som korta strömpulser.

Om storheterna representeras med sina normerade värden (pu- värden; per-unit-värden) gäller följande differentialekva- tion för kondensatorspänningen som funktion av linjeströmmen i intervallen mellan reverseringarna 1 .

--Au=xC-M WN där QN är nätets vinkelfrekvens. Man har alltsà Au = wN-xc-Re[Aï-ejgt] Samplingsintervallets längd är 1 I h='-'í=i' 2fN wN Integration i intervallet tk < t < tk + h/2 ger då tk+h/2 h _ .

Au(tk + 5 - O) = Au(tk) + wN~xC- IRe[A1-e3Qš]d§ tk Vid tidpunkten t=tk reverseras kondensatorspänningen. Man får dá tk+h/2 Auuk + Q + o) 2 -D-{Au(tk) + mN-xC- IRe[Aí-ejQš]d§ } tk där faktorn D som tidigare nämnts representerar kretsens förluster. Förnyad integration, nu i intervallet tk + h/2 < t < tkil = tk + h ger tk+h/2 Au(tk + h) = -D-{Au(tk) + wN~XC- JRe[Aï-ejQë]d§ } + tk 504 302 1 w tk+h + wN xc- iRe[Aï-ejQê]d§ = tk+ /2 = -D'Au(tk) + h/2 + mN-xC-ReUÅí-b-D + ejgh/zyejgtk- J-ReMï-ejgëldš } = O 'Qh/2 _ 'Qh/2 _ .

= - D-Aufilk) + wN~xC-Re{Aï (en Dšgæ] l) e3Qtk} Om nu Au(tk) representeras enligt Auwk) = Re{Aü-efie-efifltk} erhålles följande ekvation ET Q (_jxC).(ejQh/2 _ D).(ejQh/2 _ 1).A§_ Aü.ej9. (ejQh + D) = Den skenbara impedansen blir därmed Afiveje (ON _ (ejQh/2 _ D) (ejQh/Z _ l) "f" = Tf = í '<-1><<=>' (ejnh/z + D, = _ ___ __ .(ej(§2/wN)fl/2 _ D)'(ej(§2/wN)¶/2 _ 1) '- Q ( ÛXC) (eJ-(Q/wbfln + D) När kondensatorkretsen är förlustfri är D=l och uttrycket förenklas till (21: 1 - cos "-'E WN , WN Z=H°HXC-"_*ET cos _- 5 WN av vilket uttryck framgår att för detta fall den skenbara reaktansen blir induktiv inom hela omrâdet Q < mN dvs för hela det frekvensomràde där subsynkron resonans kan före- komma. Vidare framgår att den skenbara resistansen är noll.

I praktiken kan utrustningens förluster inte utan vidare försummas. Figur 6a och figur 6b visar emellertid den sken- bara reaktansen respektive den skenbara resistansen för tvà antagna värden<fià kretsförlusterna, nämligen för D = 0,90 n 5Û4 3Û2_ och för D = 0,95, vilka tillsammans med det ovan behandlade fallet D = 1 täcker hela det variationsomráde hos storheten D som torde förekomma i praktiken. Beräkningarna är gjorda för systemfrekvensen 60 Hz, dvs för mN = Zn-60, och för frekvensområdet O < §2 marginal det frekvensområde 15 Hz < §2< 45 Hz där subsynkron resonans kan förekomma. Figur 6a visar kvoten xv/xc där xv 1 . _ är den skenbara reaktansen och xc = C . Figur 6b visar (DN. kvoten rv/xc där rv är den skenbara resistansen. Som framgår av kurvorna är den skenbara reaktansen xv positiv, dvs induktiv, inom hela det aktuella frekvensområdet.

I avsnittet ovan har alltså visats att en tyristorstyrd seriekondensator, där kondensatorspänningen reverseras vid ekvidistanta tidpunkter, uppvisar en induktiv karakteristik inom hela det för subsynkrona resonanssvängningar aktuella omrâdet. Härledningen är emellertid gjord under förutsätt- ningen att induktorns induktans är så låg att kondensator- spänningens reversering sker på försumbart kort tid.

I praktiken kan denna induktans inte försummas, och spän- ningsreverseringen kommer dá inte att ske momentant. Halv- ledarventilens ledintervall kommer att ha en ändlig längd, vilken beror av förhållandet mellan à ena sidan kondensa- torns spänning vid ventilens tändning och á andra sidan lin- jeströmmens värde under ventilens ledintervall samt av egen- frekvensen för den LC-krets som utgörs av seriekondensatorn och induktansen i tyristorgrenen. Det kan emellertid visas att, om styrningen av ventilens tändning modifieras så att tidpunkten för kondensatorspänningens nollgenomgàngar bibehálles oberoende av variationer i dessa variabler, så kommer den skenbara impedansen att bibehålla sin induktiva karaktär.

Härledningen ovan har gjorts enbart med utgångspunkt från principen med ekvidistanta spänningsreverseringar, och inga systemparametrar, sàsom ledningsimpedanser etc, förekommer i sambanden. Kurvorna i figur 6a och figur 6b gäller alltså 504 302 i 12 oberoende av transmissionssystemet och av grundtonsströmmens storlek.

Figur 7 visar den principiella uppbyggnaden av en styrut- rustning CE enligt upfinningen, vilken är ansluten till en i en kraftledning 2 inkopplad seriekondensator 1 för styrning av kondensatorn. Styrutrustningen innefattar en dubbelriktad tyristorventil 3 och en induktor 4, vilka i serie med var- andra är anslutna parallellt med kondensatorn l. Ett ström- mätdon IM, t ex en strömtransformator eller ett strömmätdon med optisk signalöverföring, är anslutet i kraftledningen och lämnar en mot linjeströmmen iL svarande mätsignal iL' till styrutrustningen. Ett spänningsmätdon UM, t ex en spän- ningsdelare med optisk signalöverföring eller en spännings- transformator, är anslutet över kondensatorn och avger en mot kondensatorspänningen uc svarande mätsignal uC'.

Styrutrustningen innefattar en faslåst krets (Phase-Locked Loop) PLL, vilken av signalen iL' synkroniseras med linje- strömmen iL. Kretsen avger ekvidistanta kommandopulser pstart med en frekvens som är dubbla systemfrekvensen hos det nät i vilket kraftledningen l ingår. Kommandopulsernas fasläge i förhållande till linjeströmmen iL bestäms av en fasreferens- signal Bref. Denna signal erhålles företrädesvis fràn ett överordnat reglersystem, som styr seriekondensatorutrust- ningens egenskaper vid systemfrekvensens grundton (se när- mare beskrivningen nedan till figur 10).

Den faslàsta kretsen PLL förses med lämpliga filterorgan för begränsning eller eliminering av de subsynkrona strömmarnas inverkan. Bandbredden hos dessa filterorgan kan göras sà làg att de subsynkrona komponenterna praktiskt taget helt elimi- neras, men i praktiken har det visat sig fördelaktigt att ha en relativt hög bandbredd. Filterorganen kan exempelvis utgöras av ett làgpassfilter anordnat i signalvägen för den i den faslàsta kretsen bildade fasskillnadssignalen.

Kommandopulserna pstart tillförs, liksom mätsignalerna uc' och iL', en kompensationskrets TC. Denna krets korrigerar 13 504 302 utifrån de uppmätta momentanvärdena pá kondensatorspänning och linjeström för den varierande fördröjning (mellan tyris- torventilens tändning och kondensatorspänningens nollgenom- gàng) som uppkommer pà grund av tyristor-induktor-kondensa- torkretsens ändliga omsvängningstid. Kompensationskretsen avger tändpulser TP till tyristorventilen.

Det kan visas att längden t1 hos tyristorventilens ledinter- vall bestäms av sambandet Äflbrtl = 2'š där Ä= Vxc/xv -Uco (XciL)/Ä och -ugg är kondensatorspänningen vid tändningsögonblicket. §=arctan Som framgår av figur 8 gäller för tiden t¿p mellan ventilens tändning vid t = tg och strömmens toppvärde vid t = tp t¿p = t1/2 dvs å tdp = ízš; Tiden tdp får sitt största värde tdpo vid hög kondensator- spänning och/eller làg linjeström, och storheten fihar dà sitt största värde §max= I/2 dvs E/2 tdp0= Xzšš Enligt uppfinningen skall kondensatorspänningens nollgenom- gàngar, dvs tidpunkterna för ventilströmmens maximivärden, vara ekvidistanta, dvs tp = tstart + tdp0 Ur dessa villkor erhálles det samband som definierar tänd- tidpunkten ty: XQIL (ty) Ä I kompensationskretsen TC ingår en funktionsgenerator FG som 7! tan f: - kmNutF-tstartn = -ucuzfl är anordnad att, i beroende av linjeströmmens belopp och med början vid varje startpuls pstart, generera en funktion BÛ4 ÉÛ2 M XçIL(t) Ä Värdet hos denna funktion tillförs ett jämförande don CM yfg = tan [ - kwN N|ä vilket är anordnat att kontinuerligt jämföra denna funktion med kondensatorspänningens momentanvärde -uC(t). Vid t = tp är funktionens värde och kondensatorspänningen lika stora, och donet CM är anordnat att då avge en puls TP för tändning av tyristorventilen.

Förloppet hos funktionen yfg(t) och hos kondensatorspän- ningen -ug visas i figur 9.

Linjeströmmen iL, vars mätvärde ingår i ovanstående samband behöver inte mätas kontinuerligt. Tändningen av ventilen sker alltid nära kondensatorspänningens nollgenomgàng, dvs nära linjeströmmens toppvärde. Eftersom strömmen då varierar långsamt kan en enda sampling av iL, t ex vid t = tstart ge tillräcklig noggrannhet vid bestämningen av tp. Bestämningen av tändtidpunkten kan om så önskas förfinas genom att mät- värdet av linjeströmmen korrigeras med hänsyn till linje- strömmens normalt sinusformiga förlopp.

Vid den ovan i anslutning till figurerna 7-9 beskrivna styr- metoden kommer kondensatorns spänningsreverseringar (konden- satorspänningens nollgenomgångar) alltid att inträffa vid av den faslásta kretsen givna ekvidistanta tidpunkter oberoende av kondensatorspänningens storlek, dvs av kondensatorns utstyrning. Stationärt tillstànd inträffar om den totala nettoladdning som linjeströmmen tillför kondensatorn mellan två spänningsreverseringar är noll. Om detta villkor är upp- fyllt har kondensatorspänningen samma värde just före en spänningsreversering som just efter den föregående reverse- ringen.

Om nollgenomgångarna t ex är något tidigarelagda i förhål- lande till de tidpunkter som motsvarar stationärt tillstànd, kommer linjeströmmen att under varje intervall mellan två reverseringar ge ett positivt nettotillskott till kondensa- 504 302 torns laddning, och kondensatorns spänning kommer kontinuer- ligt att öka. Om däremot nollgenomgàngarna är något senare- lagda i förhållande till de tidpunkter som motvarar statio- närt tillstànd, kommer linjeströmmen att under varje inter- vall mellan två reverseringar ge ett negativt nettotillskott till kondensatorns laddning, och kondensatorns spänning kom- mer kontinuerligt att minska. En liten avvikelse hos tänd- tidpunkterna frán de tidpunkter som motsvarar stationärt tillstànd kommer alltså att med integrerande verkan ge en ökande eller minskande utstyrning av kondensatorn. Den i figur 7 visade styrutrustningen kompletteras därför enligt en föredragen utföringsform med en överordnad reglerkrets som håller kondensatorns spänning, dvs dess utstyrning, pà önskad nivå.

Fig 10 visar en sådan styrutrustning. Ett andra strömmätdon IMV avger en mot ventilströmmen iv svarande mätsignal iv".

Denna signal tillförs ett laddningsmätdon QM. I detta bildas genom integration av ventilströmmen under omsvängningsför- loppet en signal q som motsvarar ventilströmmens tidsinte- gral, dvs den av omsvängningen orsakade ändringen av konden- satorns laddning och därmed av dess spänning. Storheten q är alltså ett màtt på kondensatorns utstyrning (jämför figur 3 med beskrivning). För eliminering av sådana komponenter i mätsignalen som orsakas av subsynkrona resonansfenomen får mätsignalen q passera ett làgpassfilter LP med så vald karakteristik att SSR-frekventa komponenter elimineras. I en summator Sl jämförs den filtrerade signalen q' med en refe- renssignal qref som erhålles fràn ett överordnat styr- eller reglersystem SR och som utgör referens för kondensatorns utstyrningsgrad. Avvikelsen Aq tillförs en regulator QR vars utsignal tcs i sin tur tillförs en tidsförskjutningskrets TF, som tidsförskjuter de från den faslàsta kretsen erhållna pulserna pstart proportionellt mot regulatorns utsignal och på sådant sätt att ett positivt värde pá Aq ger en tidigare- läggning av tändtidpunkterna och ett negativt värde en sena- reläggning. Kretsens TF förstärkning pâverkas av linjeström- mens amplitud och är exempelvis omvänt proportionell mot linjeströmmens absolutvärde. På grund av den ovan nämnda in- so4 302 i 16 neboende integrerande funktionen hos systemet kan regulatorn QR vara en ren proportionalregulator. I praktiken har det dock visat sig vara lämpligt att utföra regulatorn som en PI-regulator med en mindre integrerande del, bl a för att kompensera för effekten av kretsförluster. Pà detta sätt erhålles och bibehàlles automatiskt den kondensatorspän- ning/utstyrningsgrad som ges av referensvärdet qref. De frán tidsförskjutningskretsen TF erhållna pulserna betecknas med P'scart- Det överordnade styr- eller reglersystemet SR ingàr inte i uppfinningen men kan vara en regulator eller styrutrustning för styrning av det kraftsystem i vilket den aktuella kraft- ledningen och seriekondenstorn ingår. Signalen qref kan sàlunda av det överordnade systemet varieras exempelvis i beroende av önskad SSR-dämpning, för dämpning av elektrome- kaniska làgfrekventa pendlingar i nätet, för styrning av effektflödet i nätet eller helt enkelt för inställning av en viss önskad reaktans hos seriekondensatorn.

I vissa fall finns inget önskemàl om att använda styrningen av seriekondensatorn för något annat ändamål än för motver- kande av SR-svängningar. Kondensatorns utstyrning (spän- ningsboost) kan dà anpassas enbart med hänsyn till vad som krävs för detta syfte. I allmänhet är det då önskvärt att hålla utstyrningsgraden sà làg som möjligt för att reducera övertonerna i kondensatorspänningen och för att reducera de termiska pàkänningarna pà halvledarventilerna och pà kon- densatorn. För motverkande av en SSR-svängning krävs dock en viss lägsta nivå hos kondensatorspänningen. Enligt en utfö- ringsform av uppfinningen utformas därför styrsystemet sà att det vid ostörd drift håller utstyrningsgraden vid ett mycket làgt värde - eventuellt noll - men vid uppträdande av en SSR-svängning vid behov höjer utstyrningen i tillräcklig grad för att systemet skall ge den önskade SSR-dämpningen.

Som framgår av figur 9 erhàlles för làga kondensatorspän- ningar ingen skärningspunkt mellan kurvan -uC(t) och kurvan yfg(t) under intervallet tstart - tp och därför ingen tänd- 17 504 302 ning av halvledarventilen. För att den önskade styrfunktio- nen med ekvidistanta nollgenomgångar hos kondensatorspän- ningen skall erhållas måste utstyrningsgraden och därmed kondensatorspänningen vara så hög att en skärningspunkt erhålles under det nämnda tidsintervallet.

Figur ll visar en tilläggsutrustning som tillsammans med den i figur 10 visade utrustningen ger denna funktion. Pulserna pstart från den faslásta kretsen PLL tillförs en fördröj- ningskrets FC med tidsfördröjningen t¿p0 och denna krets avger pulser pp vid tidpunkterna tp för de önskade ekvidis- tanta nollgenomgångarna hos kondensatorspänningen ug. Pul- serna tillförs en ingång hos en OCH-krets AG. Tändpulserna TP från kompensationskretsen TC tillförs en monostabil vippa MV med àtergàngstiden tdpg. Vippan avger alltså signaler ptp+ med början i varje mottagen tändpuls och med varaktigheten tdpg. Dessa signaler tillförs en negerad ingång hos OCH- kretsen AG. Om kondensatorspänningen är så låg att ingen skärningspunkt erhållits mellan -uc och yfg är vid t = tp signalen ptp+ noll, och OCH-kretsen avger en puls Aqref+ med lämplig amplitud som tillförs en regulator DQR med PI-funk- tion. Regulatorns utsignal Aqref tillförs summatorn S1 i figur 10 och förutsätts normalt vara noll. Insignalen qref till summatorn har det värde som motsvarar den utstyrning man önskar ha vid ostörd drift, alltså företrädesvis noll eller ett lågt värde. Pulsen AqIef+ ger ett momentant posi- tivt tillskott till regulatorns utsignal, vilket verkar som en momentan höjning av referensen qref med beloppet Aqref.

Erhålles inte heller efter nästföljande puls pstart någon skärningspunkt, och därmed ingen tändpuls, upprepas höj- ningen av qref till dess att tändpulser erhålles och därmed den önskade SSR-dämpande styrningen av kondensatorn. En svagt negativ signal Aqref- tillförs en andra ingång hos regulatorn DQR och ger på grund av den integrerande kompo- nenten hos regulatorkarakteristikan en långsam nedstyrning av referensspänningstillskottet Aqref, vilket gör att detta tillskott efter upphörandet av en SSR-svängning reduceras till noll.

SÛ4 ÉÛ2 m Som visats ovan kan med hjälp av en styrutrustning enligt uppfinningen en i en kraftledning inkopplad seriekondensa- torutrustning bringas att uppvisa en induktiv impedans inom hela det frekvensomràde där SSR-svängningar kan uppträda.

Detta medför att kraftledningen gentemot resten av nätet ur SSR-synpunkt fungerar som en okompenserad ledning, och däri- genom kommer SSR-svängningar att effektivt motverkas. Denna fördelaktiga funktion erhålles oberoende av elektriska data hos kraftledningen och omgivande nät. Den effektiva SSR- dämpningen blir därför oberoende av variationer i konfigura- tion eller data hos ledningen eller resten av kraftnätet, och eftersom exakt kännedom om lednings- eller nätdata inte erfordras kan en existerande seriekondensatorutrustning enkelt kompletteras med en styrutrustning enligt uppfin- ningen eller en existerande styrutrustning byggas om enligt uppfinningen. SSR-dämpningen erhàlles enbart genom styràt- gärder, och den är därför i princip förlustfri. Dessa för- delar erhålles samtidigt som en snabb och förlustfri styr- ning av kondensatorutrustningens effektiva kapacitans vid nätets systemfrekvens möjliggörs.

De ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen är endast exempel, och en styrutrustning enligt uppfinningen kan utformas pà många alternativa sätt.

Sálunda kan induktorn 4 inkopplas i kraftledningen 2 i serie med kondensatorn 1, varvid halvledarventilen 3 anslutes i parallell med seriekopplingen av induktorn och kondensatorn.

Som visas i figurerna 2 och 3 i den ovan nämnda svenska utläggningsskriften 465 596 kan en induktor inkopplas i serie med var och en av tvà motriktade parallellkopplade halvledarventiler, eller också kan halvledarventilen eller bàde ventilen och induktorn anslutas till kondensatorn med hjälp av en transformator för anpassning av dessa komponen- ters spännings- och strömnivà.

Halvledarventilen utgörs i de ovan beskrivna exemplen av tvà antiparallellkopplade tyristorventiler bestyckade med kon- ventionella tyristorer. Alternativt kan de i ventilerna 19 504 302 ingående halvledarelementen utgöras av andra halvledarele- ment, t ex släckbara tyristorer (GTO-tyristorer) eller hög- effekttransistorer.

För enkelhets skull har ovan endast beskrivits enfasiga utföranden av styrutrustningar enligt uppfinningen. Uppfin- ningen är dock främst avsedd för användning vid trefasiga krafttransmissionsledningar. Därvid kan varje fas av led- ningen förses med en separat styrutrustning av ovan beskri- vet slag, varvid styrorganen för styrning av halvledarven- tilernas tändning till större eller mindre del kan vara gemensamma för de tre faserna.

Styrorganen för styrning av halvledarventilernas tändning kan utformas pá många andra sätt än de ovan visade. Lämpli- gen kan åtminstone vissa delar, t ex funktionsgeneratorn FG i figur 7, utgöras av en pà lämpligt sätt programmerad mik- roprocessor eller dator.

De storheter, t ex kondensatorspänningen, linjeströmmen och den omsvängda kondensatorladdningen, som används för styr- ning av seriekondensatorn kan erhållas på andra sätt än vad som beskrivits ovan. Generellt gäller att dessa storheter kan bildas eller beräknas ur andra mätstorheter. I utfö- ringsformerna ovan har sålunda visats hur kondensatorspän- ningen mäts direkt över kondensatorn. Alternativt kan denna spänning mätas över halvledarventilen, vars spänning före tändning av ventilen är identisk med kondensatorspänningen.

I stället för att bilda ett màtt pà den omsvängda laddningen q (och därmed utstyrningsgraden) genom integration av ven- tilströmmen, som beskrivits ovan, kan denna laddning bestäm- mas genom att mäta skillnaden mellan kondensatorspänningen före och efter omsvängningen och fràn den mot denna spän- ningsskillnad svarande kondensatorladdningen subtrahera det laddningstillskott som linjeströmmen ger under omsvängnings- intervallet.

Vid de ovan beskrivna utföringsformerna är styrutrustningen enligt uppfinningen inkopplad över hela seriekondensatorn.

Claims (11)

1. Zi 504 302

2. Styrutrustning enligt patentkravet 1 kär1ne1:ec:kr1ad awr att styrorganen innefattar kompensationsorgan (TC) för kompensation av halvledarventilens tändtidpunkter (tp) för sàdana variationer hos tidpunkterna (tp) för kondensator- spänningens nollgenomgàngar som orsakas av variationer i kondensatorns driftförhállanden (iL, uc).

3. Styrutrustning enligt patentkravet 2 kär1ne1:e<:kr1ad a\r att kompensationsorganen (TC) är anordnade att tillföras tillstàndsstorheter (u'C, i'L) som motsvarar spänningen över kondensatorn (ug) och strömmen i kraftledningen (iL) och att kompensera tändtidpunkterna för variationer i dessa storhe- ter.

4. Styrutrustning enligt något av patentkraven 1-3 käxi- n e t e c k n a d a v att styrorganen innefattar ett kommando- signalgenererande organ (PLL) anordnat att avge ekvidistanta och av SSR-komponenter i huvudsak oberoende kommandosignaler (pstart) för initiering av halvledarventilens tändning.

5. Styrutrustning enligt patentkravet 4]<än11eteackI1ad a\1 att det kommandosignalgenererande organet innefattar en av kraftledningsströmmen (iL) styrd faslàst krets (PLL).

6. Styrutrustning enligt något av patentkraven 4 och 5 k ä n n e t e c k n a d a v att det kommandosignalgenererande organet (PLL) är anordnat att avge kommandosignaler (pstart) med ett bestämt fasläge (Graf) i förhållande till kraftled- ningsströmmens (iL) grundtonskomponent.

7. Styrutrustning enligt något av patentkraven 1-6 kärï- n e t e c k n a d a v att styrorganen innefattar organ (PLL, TC) anordnade att tända halvledarventilen vid de tidpunkter som bestäms av sambandet XcIL(tF) n Ä tan [E - ÄwN(tp-tstart)] + uc(tF) = 0 där tp är tidpunkten för tändning av halvledarventilen 504 302 zè tstart är tidpunkten för en kommandosignal xg är kondensatorns reaktans vid kraftledningens grundtonsfrekvens IL(tp) är strömmen i kraftledningen vid tändtidpunkten tr Ä är kvoten mellan à ena sidan egenfrekvensen hos den av kondensatorn och induktorn bildade sväng- ningskretsen och å andra sidan kraftledningens grundtonsfrekvens mN är kraftledningens grundtonsfrekvens uC(tp) är kondensatorspänningen vid tändtidpunkten tp

8. Styrutrustning enligt nàgot av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar ett överordnat styrorgan för styrning av kondensatorspänningens grundtons- komponent, varvid det överordnade styrorganet innefattar organ (QM, LP, S1, QR, TF) anordnade att bilda en till- ståndsstorhet (q') som beror av kondensatorspänningen och att i beroende av skillnaden (Aq) mellan tillstàndsstorheten och ett referensvärde (qref) styra tidpunkterna för konden- satorspänningens nollgenomgàngar.

9. Styrutrustning enligt patentkravet 8 kär1net:e<:kr1ad ax: att den innefattar bandbreddsbegränsande organ (LP) för reduktion av i kraftledningsströmmen (iL) förefintliga sub- synkrona komponenters påverkan pá tillstàndsstorheten (q').

10. Styrutrustning enligt något av patentkraven 8 och 9 kännetecknad av att den innefattar organ (QM) för bil- dande av tillstàndsstorheten genom bestämning av ström-tid- ytan hos den strömpuls som efter tändning av halvledarven- tilen genomflyter ventilen.

11. ll. Styrutrustning enligt något av föregående patentkrav kännetecknad av att den innefattar organ (FC, MV, AG, DQR) för höjning av kondensatorns utstyrningsgrad (q) i beroende av detekterade subsynkrona svängningar.