DE1563995A1

DE1563995A1 - Anordnung zur Regelung reaktiver Leistung in einer Wechselrichterstation

Info

Publication number: DE1563995A1
Application number: DE19671563995
Authority: DE
Inventors: Hans Stackegard
Original assignee: ASEA AB; Allmanna Svenska Elektriska AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1966-04-20
Filing date: 1967-04-13
Publication date: 1970-09-24
Also published as: GB1174166A; SE314430B; JPS4410331B1; CH483153A

Description

Anordnung zur Regelung reaktiver Leistung in einer Wechselrichterstation

Die Erfindung "betrifft eine Anordnung zur Regelung der reaktiven leistung in einer Wechselrichterstation mit einer Kondensatorbatterie miι zugehörigerRegelvorrichtung, z.B. einem Stufenschalter oder einer Aufteilungsanordnung zur Einstellung der Kapazität der Kondensatorbatterie und mit einem Steuergerät (ein sogenanntes Folgesteuergerät), um einen gewissen kleinsten Sicherheitswinkel der Ventile des Wechselrichters sicherzustellen.

Aus der Stromrichtertechnik ist es bekannt, daß ein Wechselrichter eine im Verhältnis zu seiner Nennleistung relativ große Induktanz repräsentiert, weshalb in Verbindung mit einem Wechselrichter irgendeine Form von Phasenkompensierung angeordnet werden muß, z.B. in der Form eines Snychronkompensators oder einer Kondensatorbatterie. Was den ersteren betrifft, so bietet er gute Regelmöglichkeiten, ist aber andererseits kostspielig. Eine Kondensatorbatterie ist wesentlich billiger, und ihre Regelung kann mit Hilfe irgendeiner Art von Stufenschalter erhalten werden, wobei Teile

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der Batterie ein- und abgeschaltet werden können, so daß eine zweckmäßige Kapazität erhalten wird. Eine solche Regelung ist jedoch recht langsam im Verhältnis zu einem Synchronkompensator und auch im Verhältnis zu den Forderungen nach schneller Regelung, die normalerweise an einen Stromrichter gestellt werden.

Die äquivalente Induktanz des Wechselrichters und damit sein Bedarf an reaktiver Kompensierungsleistung sind derart von seinem Steuerwinkel abhängig, daß die Induktanz und damit der reaktive Leistungsbedarf am kleinsten sind, wenn der Wechselrichter auf volle Wechselrichtung gesteuert ist, was bedeutet, daß der Steuerwinkel für die Wechselrichterventile so nahe an 180° ist, wie mit beibehaltener ungestörter Kommutierung zugelassen werden kann. Maximale Induktanz und damit maximaler reaktiver Leistungsbedarf liegen bei einem Steuerwinkel von ca 90° vor. Es ist auch bekannt, daß man bei Steuerung eines Wechselrichters einen gewissen kleinsten Sicherheitswinkel für die Ventile des Wechselrichters aufrechterhalten muß, weshalb der maximal zugelassene Steuerwinkel 180 abzüglich der Summe der Kommutierungszeit und des erforderlichen Sicherheitsenkels ist. Um einen gewissen Sicherheitswinkel aufrechterhalten zu können, muß man deshalb die Kommutierungsspannung und den Belastungsstrom für den Wechselrichter berücksichtigen, weil die Kommutierungszeit annähernd proportional dem Gleichstrom des Wechselrichters und umgekehrt proportional der Kommutierungsspannung ist. Um bei variierendem Belastungsstrom und variierender Kommutierungsspannung einen gewünaohten kleinsten Sicherheitswinkel zu sichern, wird der Wechselrichter mit einem

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sogenannten Folgesteuergerät versehen, das in Abhängigkeit von der aktuellen Kommu"Cierungsspannung und dem aktuellen Belastungsstrom und einem im voraus gewählten Sicherheitswinkel den richtigen Steuerwinkel für jede Kommutierung errechnet.

Die Erfindung beruht auf der Erwägung, daß man durch Eingreifen in das Folgesteuergerät des Wechselrichters den Sicherheitswinkel des Wechselrichters und damit dessen Verbrauch an reaktiver Leistung erhöhen kann. Ein Wechselrichter nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er ein Organ zur Herleitung einer'Bezugsgröße von dem am Wechselrichter angeschlossenen Wechselstromnetz umfaßt, welche Bezugsgröße die reaktive Leistung der Wechselrichterstation darstellt. Die genannte Bezugsgröße, die in der Form einer G-leichstromgröße entnommen wird, wird teils dem genannten Folgesteuergerät und teils der genannten Regelvorrichtung für die Kondensatorbatterie derart zugeführt, daß eine Verminderung des reaktiven Leistungsverbrauchs der Wechselrichterstation in erster Linie eine Erhöhung des Sicherheitswinkels der Ventile und in zweiter Linie dine Verminderung der Kapazität der Kondensatorbatterie bedeutet.

Eine Regelung dieser Art ist z.B. von Bedeutung bei einem Wegfall eines Teils der Last in dem am Wechselrichter angeschlossenen Wechselstromnetz. Wegen der Einwirkung der Kondensatorbatterie ■ bringt ein solcher Wegfall der Last eine Spannungszunähme im Wechselstromnetz mit sich. Ein anderer Fall, wo eine Regelung der reaktiven Leistung wünschenswert ist, ist bei teilweisem Wegfall

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der Gleichstromverbindung, z.B. wenn in einer zweipoligen Übertra-. gungsanlage mit geerdetem Mittelpunkt der eine Pol wegfällt..In einem solchen ]?all wird die Kapazität der Kondensatorbatterie zu groß im Verhältnis zum reaktiven Leistungsverbrauch der Wechselrichterstation, und eine Regelung ist erforderlich..

Die genannten Störungen bringen eine Änderung der vom Wechselstromnetz hergeleiteten Bezugsgröße mit sich, wobei nach der Erfindung' in erster Linie der Sicherheitswinkel des Wechselrichters vergrößert ■■ wird, so daß Gleichgewicht zwischen der Kapazität der Kondensatorbatterie und dem Bedarf des Wechselrichters an reaktiver Leistung wiederhergestellt wird. Mit dem Wegschaiten eines Teils der Kondensatorbatterie ändert sich auch das Gleichgewicht zwischen dem. Bedarf der Batterie und des Wechselrichters an reaktiver Leistung in entgegengesetzter Richtung, λ'/obei die am Folgesteuergerät angeschlossene Bezugsgröße kleiner wird, der Sicherheitswinkel für den Wechselrichter, sinkt auf den ursprünglichen Weru. In dieser Weise erreicht man nach der Erfindung, daß man eine Kondensatorbatterie zum Erzeugen von reaktiver Leistung verwenden und doch eine schnelle Spannungsregelung in derselben Weise wie mit einem Synchronlcompensator erreichen kann.

Aus dem Ooengesagten geht hervor, daß man als Bezugsgröße die reaktive Leistung in dem am Wechselrichter angeschlossenen Wechselstromnetz, z.B. mit Hilfe eines Hallgenerators gemessen, benutzen kann. Da man daran interessiert isL, die Schwankungen der reaktiven

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Leistung, soweit wie möglich zu. begrenzen, muß eine Regelung nach ■ äer Erfindung erreicht v/erden, sobald die Veränderung der -reaktiven Leistung einen gewissen niedrigen Wert übersteigt. Eine andere Möglichkeit ist, die Spannung xm,Wechselstromnetz als Bezugsgröße zu verwenden, weil das Bestreben, den Verbrauch an reaktiver Leistung konsxain; zu halten, der Forderung entspringt,: die Spannungsvaria-"cionen innerhalb gewisser Toleranzen zu halten.Hierbei wird die wirkliche-letz spannung oder die Ifetzspannungsänderurig mit einem gewissen Besugsv/ert verglichen. .

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, -. in der Fig.. 1- eine mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem versehene Wechselrichterstatioii und Pig. 2 eine Variation der Anordnung nach Pig. 1 zeigt. - -

Pig. 1 zeigt einen Einv/eg -Dr ei puls -Wechselrieht er 1 , der einen Stromrichtercransformator und drei an diesem angeschlossene Ionenventile' zeigt. Der Wechselrichter.ist von einer Gleichstromleitung 9 gespeist und speist das Wechselstromnetz- 10 mit Energie, Pur. das eine der Ventile ist ein zwischen dem Steuergitter 2 und der Kathode 3 eifigeschaJLtetes S1<euergerä,t gezeigt, das einen Gitterspannungstransformator 4 in Eeihe mit einer Giütervorspannungs- ^uelle 6 umfaßt. Die Primärseite des Gitberspannungstransformators ist an einer poaitiven Spannungsq.uelie in Reihe mi L einem Transistor 3 angeschlossen, der von einem sogenannten Polgesteuergerät gesteuert wird, das die Komponenten 7 und 8 umfaßt. Die Komponente 8 ist am Wechselsüromnetz 10 der Wechselrichtersuation angeschlos-

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sen und besteht im großen und ganzen aus einem Phasendrehorgan zur Herleitung der Bezugswechselspannung für die Steuerung der verschiedenen Ventile und ist mit einer Anzapfung für jedes der genannten Ventile versehen. Die Komponente 7 besteht aus einem Impedanselement, das vom Gleichstrom in dem den Wechselrichter speisenden G-leichstromleiter 9 durchflossen wird., über dein Impedanzelement 7 wird eine Gleichspannung erhalten, die in Reihe mit jeder der Bezugswechselspannungen vom. Element 8 geschaltet wird. Die Spannung über dem Element 7 und die entsprechende Phasenspan- · nung vom Element 8 werden an die Basiselektrode des entsprechenden Transistors 5 angeschlossen. Wenn die Summe der genannten Spannungen positiv wird, wird der Transistor 5 leitend, wobei ein Strom in der Primärseite des Gitterspannungstransformators 4 anwächst, welcher Strom im Sekundär kr eis des Givcerspannungstransformators einen Steuerstrom für das entsprechende Ionenventil erzeugt. Durch zweckmäßige Bemessung der Komponenten 7 und 8 kann man in dieser Weise einen solchen Steuerwinkel für die verschiedenen Ventile erhalten, daß ein gewisser gewünschter Sicherheitswinkel für dieselben unabhängig von Variationen des Gleichstromes im Leiter 9 und in den vom Wechselfichterneta 10 gegebenen Kommutierungsspannungen der Ventile aufrechterhalten werden kann.

Die resultierende reaktive Leistung im Netz 10 wird mit Hilfe eines Leistungsmeßgeräts H gemessen, an dem einerseits ein Strom transformator 15 angeschlossen ist, der in einem der Phasenleiter im Netz 10 eingesetzt ist, andererseits ein Spannungstransformator I6,

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der zwischen .-zwei anderen Phasenleitern im Wechselstromnetz eingeschaltet ist. Der reaktive Leistungsmesser kann als Hallgenerator ausgeführt sein, dessen Magnetfeld am Spannungstransformator 16 angeschlossen'ist, während das Hallelement selbst am Stromtransformator 15 angeschlossen ist. Durch diese Anordnung ist das Ausgangssignal vom Hallgenerator aus einer Wechselspannung, deren Frequenz das Doppelte der Netzfrecruenz ist, und einer Gleichspannung zusammengesetzt, deren Polarität davon abhängt, ob die reaktive Leistung im lietζ 10 induktiv oder kapazitiv ist, und deren Größe dem Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung im letz 10 entspricht. Durch i- ■*'■-.■■■

Kurzschließen der genannten Wechseispannungskomponente vom Hallgenerator mit Hilfe des Kondensators 19 wird über dem Widerstand 20 eine Gleichspannung erhalten', die teils an das Regelgerät 13 der Kondensatorbatterie und teils an den Steuerkreis des Transistors . 5 angeschlossen wird.

Bei Wegfall der Belastung im Wechselstromnetz 10 oder anderen Betrieb sänderungen oder Störungen, bei denen die reaktive Leistung der Kondensatorbatterie den Bedarf im Wechselrichter 1 überwiegt, wird über dem Kondensator 19 und Widerstand 20 eine Gleichspannung mit der gezeigten Polarität erhalten. Diese Gleichspannung wird zu der Gleichspannung über dem Element 7 addiert, was bedeutet, daß . der Steuerwinkel der Ventile im Wechselrichter in der gleichen Weise vermindert wird, als wenn der Gleichstrom in der Speiseleitung9 vergrößert worden wäre. Das Ee-sultat ist dann, daß die Kommutierung zwischen den Ventilen früher abgeschlossen wird, was bedeutet, daß der Sicherheitswinkel zunimmt. Gleichzeitig erhält

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das Eegelorgan 13 der Kondensatorbatterie eine Spannung, die das Wegschalten einer der Kondensa/borgruppen in der Batte :le bewirkt, wobei de;·.·en Kapazität abnimmt. Hierbei fällt das Signal vom Hallgenerator 14 v/eg, wobei der Steuerwinkel für die Ventile im V/eehseirichter auf den von den Komponenten 7 und 8 bestimmten Wert zurückgeht .

Wenn der ursprüngliche Betriebszustand wieder hergestellt; is«, wird die Kondensatorbatterie au klein, wobei die reaktive Leistung in jjietü 10 induktiv wird. Demzufolge wird ein neues Ausgangssignal von Hal I generator '-_T mit einer der früheren Polarität entgegenge- cz τ. ζ χ en Poir.rität erhalten. Dieses würde unmittelbar bedeuten, daß der oicherhextcwir.kel imj: die Tentiie im Wechselrichter vermindert '•.■erden würdi, dooL. dieses kann rai""; Hücksichi; auf die Sicherheit i:".i ^:rechi.e^-ric;ii ;er nicht sngelacser.; v/erden, weshalb die Diode 2* y.ir:. l'jjrs.^chliasssu o.ieses entgegeiigerichvSteu Signals zum Transir.tor j ci2v.:ei;^L?tz".· _;.^r^:;> Dagegen tau.^;3 das Signal dew Hegelgerät "> j Vu.:- yei-:-r~. ·.·-.■./·?:"-■: ΐ !Drhöhung der Eapasität der Kouderisatorba u Leric

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BAD ORIGINAL

_Referenz zur Regelung der reaktiven Leistung der Stromrichterstaxion verwendet werden kann. Zu diesem Zweck ist am Netz 10 ein Spannungstransformator 22 angeschlossen, dessen Sekundärseite am Kondensator 19 und Widerstand 2-0 in Fig. 1 angeschlossen ist* Die eine Halbperiode der Ausgangsspannung vom Spannungstransforniator 22 ist miν einer Diode 23 kurzgeschlossen, so daß eine G-leichspannung über dem Kondensator 18 und Widerstand 20 erhalten wird. Die .' Spannung vom Spannungstransformator 22 mui3 gegen eine Bezugsspannung geschaltet sein, die zweckmäßig über dem Widerstand 24- mit der gezeigten Polarität eingeschaltet werden kann. Man entnimmt dann den Klemmen 2b eine AusgangsSpannung zum Anschluß an das Regelorgan 13 und den Steuerkreis für_: den Transistor 5 in Fig, T. Die Wechselrichter 1 sind mit ITebenschlußorganen 26 in der Form von Trennschaltern versehen, so daß bei"Fehlern im Wechselrichter diese.r nebengeschlossen und weggeschaltet werden kann. Hierbei ent.steht eine Unbalanz zwischen der reaktiven Leistung von der nicht gezeigten Kondensatorbatterie und dem Bedarf der Stromrichterstation an reaktiver Leistung, was zur Folge hat, daß die Spannung im Hetz 10 steigt. Demzufolge überwiegt die Spannung über dem Widerstand 20 die Spannung über dem Widerstand 24> wobei eine"Ausgangsspannung über den Klemmen 25 zum Vergrößern des Sichei'heitswinkels der Ventile und Wegschalten von Teilen der Kondensatorbatterie erhalten wird.. Bei" Fehlern in einem der Gleichstromleiter 9 wird dieser Leiter mit Hilfe eines Schaltorgans 27 weggeschaltet, wobei die entsprechende Hälfte der Wechselrichüerstalion stromlos wird. Auch dieses ergibt eine Unbalanz zwischen Kondensatorbatterie und

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Wechselrichter, wobei eine Spannungszunähme im Netz 10 entsteht. Wie bei der Anordnung nach Fig. 1 hat auch hier ein,Wiederhersteilen' der ursprünglichen Verhältnisse eine Unbalanz"der reaktiven leistung in entgegengesetzter Richtung zur Folge, wobei die" Spannung im Hetz sinkt. Demzufolge erhält man eine Spannung über den Klemmen 25 mit entgegengesetzter Polarität, was ein Wiedereinschalten von Teilen der Kondensatorbatterie zur Folge hat, während der Sicherheitswinkel aufgrund der Dioden 21 unverändert beibehalten wird.

Eine noch schnellere Regelung des Sicherheitswinkels und damit der Wechselspannung kann erhalten werden, wenn man zwischen dem Spannungstransformator 22 in Fig. 2 oder dem Gerät 14 in Fig. 1 und dem Steuerkreis des !Transistors ein zeitableitendes Organ einführe. Dadurch wird schon die Zeitableitung der reaktiven Leistung den Sicherheitswinkel vergrößern, wobei die maximale Leistungsänderung und damit die maximale Spannungsänderung im voraus begrenzt wird.

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Claims

- : Patenta.nspru.clie: ' . ■

Anordnung zur Regelung der reaktiven Leistung in einer Wechselrichter station mit einer Kondensatorbatterie mit zugehöriger Regelanordnung, z.B. einem Stufenschalter zum Einstellen der Kapazität der Kondensatorbatterie., und mit einem Steuergerät zum Sichern eines gewissen kleinsten Sicherheitswinkels der Ventile des Wechselrichters» dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein Organ zum Herleiten einer Bezugsgröße, die die reaktive Leistung elex vvechsexrichters/üation repräsentier I₅ enthalt, welche Bezugsgröße in der ?orm einer G-leichs tronigröße teils dem genannten Steuergerät und oeils der genarm uen liege !anordnung für die Kondensatorbatterie derart zugeführt wird, dais eine Verminderung des Vsbrauclis der ¥e"clxselriclx:terstatioix an reaktiver Leistung in erster Linie eine Zuiiahme des Sicherheitswinkels der Ventile und in zweiter Linie eine Abnahme-der.Kapazität der Kondensatorbatterie aur IoIge hat»

2° Anordnung nach Anspruch 1₉ dadurch, gej-remis-siclaiietj daS das Organ zur Herleitung- der genannten Beaugsgröße aus einer MeSanord-' aiisi.iiessen der reaktiven Leistung in dem an der Wechselrichter'·

Station angeaohlossenen Wsohseistroianetz "besteht»

5--T Anordnung aacli Anspriicii 1 _s dadurch gelcenaseichast j daß aas Organ siir EerXeitimg der Jiesugsgroße aus e?.:aea Spaaiiimgstraaßfornp: ΐΟ-ί* a^.iE Hosßsifl der Spaniffiiig im eh der •IJeoheelriölit'srstetion ange-

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INSPECTED

-■;. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindung zwischen dem Organ zum Herleiten der Bezugsgröße'und dem Steuergerät ein Element enthält, das das Signal vom Organ
sperrt, \iema. der Verbrauch der Stromrichterstation an reaktiver Leistung im Verhältnis zur Kapazität der Kondensatorbatterie zu groß wira.

b· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Organ zum Herleiten der Bezugsgröße und dem Steuergerät eine Anordnung zur Herleitung der Zeixableixung der Bezugsgröße eingeschaltet ist.

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