DE1588065C3 - Einrichtung zur KurzschluBstrombegrenzung bei einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur schnellen Kurzschlußstrombegrenzung in einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage mit wenigstens zwei Stromrichterstationen, bei denen die im Gleichrichterbetrieb arbeitende Stromrichterstation mit einem Betriebsstromregler zur betriebsmäßigen Regelung auf konstanten Übertragungsstrom ausgerüstet ist, wobei ein von der Höhe des übertragenen Leitungsstromes oder seinen Änderungen abhängiges Meßorgan vorgesehen ist, welches den Betriebsstromregler mit einer Meßgröße beeinflußt, welche bei einer Störung den Leitungsstrom auf seinem gerade vorliegenden Wert zu halten strebt.

Bekannt ist es aus »The Gotland DC-Link: The Grid Control and Regulation Equipment« by Harry Forsell, Direct Current, Dezember 1955, S. 166 bis 170, für die Regelung des Betriebes einer HGÜ-Anlage ein Verfahren anzuwenden, bei dem die Gleichrichterstation mit einem Stromregler ausgestattet ist, der den gewünschten Übertragungsstrom konstant hält. Dieser Regler wirkt auf die Gittersteuerung der Stromrichter ein. Hierbei kann noch eine Leistungsoder Frequenz-Leistungsregelung überlagert sein. Die Spannung der HGÜ-Anlage wird von der Wechselrichterstation her bestimmt.

Aus der DT-AS 1043 489 ist eine Regeleinrichtung für eine Gleichstrom-Übertragungsanlage mit konstanter Gleichspannung bekannt, bei der zwei Regelgrößen auf einen gemeinsamen kombinierten Regler geführt werden. Nachteilig ist, daß diese

ίο Regeleinrichtung nicht zugleich für den Normalbetrieb und den Störungsanfall optimiert werden kann.

Allgemein sind bei einer HGÜ-Anlage die Gleich- und die Wechselrichterstation über eine meist lange Leitung miteinander verbunden. Diese lange Leitung ist bekanntlich ein schwingungsfähiges Gebilde. Diese Gegebenheit erfordert eine sehr sorgfältige Anpassung des Stromreglers an die vorhandene komplizierte Regelstrecke, um einen stabilen Betrieb der Anlage zu ermöglichen. Die Anpassung erfolgt durch Beschaltung des Stromreglers mit speziellen Rückführgliedern. Hiermit wird ein optimales Ubergangsverhalten erzielt. Nachteilig bei dieser Beschaltung ist, daß die Stellgeschwindigkeit vermindert wird. Der Stromregler reagiert auf eine Regelabweichung nur mit einer begrenzten Stellgeschwindigkeit.

Tritt nun ein Kurzschluß auf der Gleichstromleitung auf, nur dieser ist hier gemeint, dann läßt es sich nicht vermeiden, daß ein relativ hohes Überschwingen des Gleichstromes auftritt, ehe der Stromregler begrenzend eingreift und den Stromsollwert wieder einregelt. Dieses Überschwingen des Gleichstromes bringt für die Stromrichterventile, besonders wenn es sich um Halbleiterstromrichter handelt, hohe Beanspruchungen mit sich, die zu Schaden führen können. Eine Möglichkeit, im Kurzschlußfall das Uberschwingen des Gleichstromes zu vermeiden, liegt darin, daß beim Auftreten eines Überstromes eine sofortige Gittersperrung ausgelöst wird. Das bedeutet, daß keine neuen Zündungen mehr stattfinden und die gerade stromführenden Ventile mit dem natürlichen Stromnulldurchgang des Gleichstromes erlöschen. Bei dieser Art, die Stromüberhöhung gering zu halten, wird die hohe Stellgeschwindigkeit des Stromrichters -voll ausgenutzt. Der Nachteil dieser Maßnahme liegt in der Unterbrechung des Gleichstromflusses bei jedem Überstrom, dessen Ursache nicht immer ein Kurzschluß sein muß, sondern z. B. eine transiente Störung in der Wechselrichterstation sein kann. Es dauert immer eine gewisse Zeit, bis nach dem Ansprechen der Gittersperrung der normale Betrieb wieder aufgenommen werden kann.

Aufgabe der Erfmdtng ist es, eine wirksame Begrenzung der Stromüberhöhung des Gleichstromes im Kurzschlußfall zu erreichen, ohne dabei den Stromfluß zu unterbrechen, nach Beseitigung der Störung, beispielsweise dem Fangen eines gekippten Wechselrichters, den Normalbetrieb ohne Verzug und völlig selbständig wieder aufzunehmen und die thermische Belastung der Stromrichterelemente im Kurzschlußfall niedrig zu halten, ferner eine Regeleinrichtung zu schaffen, deren Regelverhalten für den Normalbetrieb und den Störungsfall optimiert ist und die einen sehr hohen Sicherheitsgrad aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Stromregler vorgesehen ist, der dem Betriebsstromregler strombegrenzend überlagert ist, daß dessen Regelzeit-

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konstante um einen vorgebbaren Betrag kleiner ist als des Übertragungsstromes I_sot[ und kann gegebenendie des Betriebsstromreglers, daß dessen Stromsoll- falls auch so mit dem Stromsollwert gekoppelt sein,

wert (I*soii) um eia^en vorgebbaren Betrag über dem daß bei Veränderung des Sollwertes I_soll der Sollwert Stromsollwert (/_soH) des Betriebsstromreglers liegt des Kurzschlußstrombegrenzungsreglers 8 /*_c„„ im-

und daß sowohl dem zusätzlichen Stromregler als 5 mer um den gleichen Prozentsatz über diesem Jiegt. auch dem Betriebsregler jeweils ein Stromwandler zur Dadurch, daß der Stromsollwert I*_son des Schneil-

Erfassung des Stromistwertes (I_isl) zugeordnet ist. regiere höher liegt als der Stromsollwert / „„ des Be-

An Hand der Fig. 1 und 2 sollen nachfolgend triebsstromreglers 7, ist gewährleistet, daß im Nor-Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen malbetrieb mit langsam verlaufenden Betriebsstrom-Einrichtung näher erläutert werden. io änderungen nur der Betriebsstromregler 7 im Eingriff

Fig. 1 zeigt eine Stromrichterstation mit zwei in ist und den Übertragungsstrom konstant.hält. Der Reihe geschalteten gesteuerten Teilstromrichtern 1 Schnellregler greift nur dann ein, wenn der Betriebsund 2, die von zwei Transformatoren 3 und 4 ge- strom über einen vorbestimmten Wert ansteigt und speist werden und selbst auf eine Gleichstrom- dieser Anstieg wegen seiner Schnelligkeit von dem schiene 5 einspeisen. Die in Fig. 1 dargestellte 15 Betriebsstromregler 7 nicht zuriickgeregelt werden Stromrichterstation arbeitet als Gleichrichter und ist kann.

über die Gleichstromleitung 5 mit einer nicht dar- Ein solcher Fall, wie ihn der gleichstromseitige gestellten Wechselrichterstation verbunden. Die Kurzschluß darstellt, ist in F i g. 2 dargestellt. Dort Stromrückleitung kann über Erde erfolgen. Dann ist sind die pulsierende Gleichspannung U und der puldie dargestellte Stromrichteranlage die gesamte ao sierende Gleichstrom/ einer beispielsweise 12pulsigen Gleichrichterstation. Sie kann aber auch nur eine Stromrichterschaltung über die Zeit / aufgetragen. Hälfte der Station, beispielsweise der Pluspol der An- Der Sollwert I_soU des Übertragungsstromes ist strichlage, sein. Dann ist der Teilstromrichter 2 mit Erde punktiert parallel zur Abszissenachse eingetragen, und einem von zwei anderen in Reihe angeordneten Auf diesen Wert ist der Betriebsstromregler 7 einge-Teilstromrichtern verbunden. Der Einfachheit und 35 stellt. Direkt darüber verläuft, und hier nicht beson-Übersicht wegen ist eine zweite Stationshälfte nicht ders eingezeichnet, der Sollwert I*_soll des Kurzdargestellt. Es ist für die Arbeitsweise der erfindungs- schlußstrombegrenzungsreglers 8.
gemäßen Einrichtung auch ohne Bedeutung. Es soll nun angenommen werden, daß zum Zeit-

Die Steuerung der beiden Teilstromrichter 1 und 2 punkt^ ein Kurzschluß auf der Gleichstromleitung erfolgt über einen Steuersatz 6. Über zwei Entkopp- 30 auftritt. Der Kurzschlußstrombegrenzungsregler 8 sei lungsdioden 16 bzw. 17 wird der Eingang des Gitter- zunächst nicht vorhanden, sondern nur der Betriebssteuersatzes vom Ausgang eines Betriebsstromreg- stromregier 7. Die Gleichspannung U an den Kiemlers 7 und vom Ausgang eines gemäß der Erfindung men der Stromrichterstation und der Gleichstrom / zusätzlichen Stromreglers8, der als Kurzschlußstrom- verlaufen dann so, wie es in Fig. 2 stark ausgezogen begrenzungsregler wirkt, angesteuert. Der Betriebs- 35 dargestellt ist. Vom Kurzschlußzeitpunkt t_k an steigt stromregier 7 ist beispielsweise, wie in Fig. 1 darge- der Gleichstrom mit einer Steigung an, die durch die stellt, aus einem Verstärker 9, einem Widerstand 10 Induktivitäten im Kurzschlußstromkreis bestimmt ist. in Reihe dazu und einem Rückführglied 11 parallel Dämpfungen durch ohmsche Verluste dürfen in diezu der Reihenschaltung aus Verstärker 9 und Wider- sem Zusammenhang vernachlässigt werden. Gleichstand 10 aufgebaut. Diesem Regler 7 wird an seinem 40 zeitig mit Beginn des Stromanstieges beginnt der BeEingang der negative Wert eines einstellbaren und triebsstromregler 7, da sein Sollwert ja überschritten vorgegebenen Stromsollwertes — I_sotl, der dem ge- wird, einzugreifen und verstellt mit seiner maximalen wünschten Übertragungsstrom der Anlage entspricht, Stellgeschwindigkeit den Zündverzögerungswinkel der und der positive Wert +I_ist des Übertragungsgleich- Strömrichterventile. Die stark ausgezogene Spanstromes zugeführt. list wird mittels eines Stromwand- 45 nungskurve in Fig. 2 oben zeigt deutlich die Zulers 12, der im Zuge der Gleichstromleitung 5 liegt, nähme des Zündverzögerungswinkels von Ventil zu gemessen. Der Betriebsstromregler 7 regelt den Über- Ventil. Entsprechend geht die Gleichspannung U vom tragungsgleichstrom / auf den vorgegebenen Sollwert positiven Wert durch Null zu negativen Werten über. Isoii ^ein· Zur Anpassung an das Übergangsverhalten Der Stromrichter, der bisher als Gleichrichter betrieder Regelstrecke, das wesentlich durch die an die 50 ben wurde, arbeitet jetzt als Wechselrichter. Damit Station angeschlossene Leitung bestimmt wird, dient wird die in den Energiespeichern der Gleichstromdas komplexe Rückführglied 11 im Regler 7. Hier- leitung gespeicherte Energie in das Drehstromnetz zudurch wird jedoch die Stellgeschwindigkeit der Reg- rückgeliefert und auf diese Weise der Gleichstrom / lerausgangsgröße begrenzt. verringert.

Um rasche Stromerhöhungen, wie etwa bei einem 55 Der Verlauf des Gleichstromes / ist im unteren gleichstromseitigen Kurzschluß, sofort zu begrenzen, Teil der Fig. 2 aufgetragen. Unter der Annahme wird gemäß der Erfindung der Stromregler 8 zusatz- rein induktiver Widerstände im Kurzschlußstromkreis Hch eingeführt. Dieser Regler 8 kann z. B., wie in ist dieser Strom die Ableitung des Spannungsverlau-Fig. 1 dargestellt, aus einem Verstärker 13 und fes U in Fig. 2 oben. Nachdem der Strom auf seinen einem dazu parallelgeschalteten Rückführglied 14 60 Sollwert reduziert worden ist, kommt nach gewissen aufgebaut sein, das eine hohe Stellgeschwindigkeit Einschwingvorgängen ein stabiler Betrieb zustande, der Reglerausgangsgröße zuläßt. Dem Eingang des Dabei bleibt-der Mittelwert der Gleichspannung U Reglers 8 wird einmal der Istwert /_/s/ des Anlagen- so lange in der Nähe der Nullinie, bis der gleichgleichstromes zugeführt, der zur Erhöhung der Be- stromseitige Kurzschluß behoben ist. Die verbleitriebssicherheit der Anlage durch einen zusätzlichen 65 bende restliche Spannung treibt einen Kurzschluß-Stromwandler 15 gemessen wird, zum anderen ein strom in der Größe des Betriebsstromes durch den negativer Stromsollwert —I*_soll. Dieser Sollwert liegt Kurzschlußkreis. Dieser Strom wird von dem Widerum einen gewissen Prozentsatz höher als der Sollwert stand im Kurzschlußkreis begrenzt und vom Betriebs-

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stromregier konstant gehalten, falls nicht von anderer entscheidend vermindert. Dieses spielt besonders bei Stelle eine Stromunterbrechung zur Kurzschluß- der Dimensionierung von Halbleiterstromrichtern löschung vorgenommen wird. Die Dauer des Über- eine entscheidende Rolle. Nach dem Umsteuern der stromes in F i g. 2 oben ist etwas langer als eine Gleichspannung U in den Wechselrichterbereich und Periode des speisenden Drehstromnetzes und damit 5 Reduzierung des Kurzschlußstromes wird dieser dann wesentlich kürzer als dies bei Kurzschlußabschaltung wieder auf dem Sollwert des Betriebsstromes konmittels Schalter erreichbar ist. Trotzdem ist dieser stant gehalten. Dies geschieht bei verminderter Span-Überstrom für thermisch empfindliche Bauelemente, nung so lange, wie die Kurzschlußursache nicht bewie beispielsweise Halbleiterventile, noch eine erheb- seitigt oder die Station von anderer Stelle völlig abliche Gefährdung und zwingt daher zu erheblichen io geschaltet ist.

Überdimensionierungen der Elemente. , Das Eingreifen des Reglers 8 erfolgt erfindungs-Zur Vermeidung, zumindest zur starken Reduzie- gemäß erst dann, wenn der Kurzschlußstrom um rung dieser Gefahr, dient gemäß der Erfindung der einen gewissen vorgebbaren Faktor, beispielsweise zusätzliche Stromregler 8. In der Fig. 2 stellen 15°/o des Betriebsstromsollwertes, über diesem liegt, die gestrichelten Kurvenzüge die Spannungs- und 15 Dadurch ist im Normalbetrieb und bei langsam an-Stromkurve der Gleichrichterstation nach dem steigendem Strom sichergestellt, daß der Kurzschluß-Kurzschluß zur Zeit t_k und dem Eingreifen des Strombegrenzungsregler 8 nicht im Eingriff ist. Die Stromreglers 8 dar. Der Regler 8 ist auf den Kurz- beiden Dioden 16 und 17, die vom Ausgang der Regschlußstromkreis mittels seines Rückführungsgliedes ler 7 und 8 auf den Eingang des Gittersteuersatzes 6 14 optimiert. Daher ist seine Stellgeschwindigkeit nach 20 führen, dienen zur Entkopplung. Es ist immer nur dem Ansprechen so hoch, daß die nächste Ventil- ein Regler, der entsprechend seinem Ausgangspotenzündung nach dem Kurzschluß und dem Anstieg des tial den Gittersteuersatz 6 beeinflußt. Der genannte Stromes I bereits bei maximaler Wechselrichteraus- Faktor, um den der Sollwert des Kurzschlußstromsteuerung erfolgt. Zur gleichen Zeit, bei der die begrenzungsreglers I*_soU über dem Sollwert des BeGleichspannung durch Null geht, hat der Kurzschluß- 25 triebsstromes I_sM liegt, kann nach einer Ausfühstrom sein Maximum erreicht. Das ist wesentlich frü- rungsform der Erfindung ein fester Prozentsatz des her als im Falle der normalen Stromregelung mittels Betriebsstromes sein. Wird der Sollwert des Betriebsdes Betriebsstromreglers 7, wie es ein Vergleich mit stromes geändert, etwa wegen Laständerung, dann der ausgezogenen Kurve in Fig. 2 unten zeigt. Die ändert sich mit dem Absolutwert von I_son auch der gesamte Dauer des Überstromes beträgt hier knapp 30 Absolutwert von I*_soll. Damit wird die Kurzschlußeine halbe Periode des speisenden Drehstromnetzes. Strombegrenzungsregelung elastisch an veränderliche Die Regelzeitkonstante des Kurzschlußstrombegren- Lastverhältnisse angepaßt.

zungsreglers 8 ist weniger als halb so groß, wie die Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen eindes Betriebsstromreglers7. Weiterhin läßt die Fig. 2 mal in der Reduzierung der Amplitude des Kurzerkennen, daß die Amplitude des Kurzschlußstromes 35 schlußstromes zusammen mit der wesentlich kürzeren bei Anwendung des Kurzschlußstrombegrenzungs- Dauer des Überstromes, zum anderen in der damit reglers 8 erheblich kleiner bleibt als bei normaler verbundenen erheblichen Verminderung der thermi-Strombegrenzung durch den Betriebsstromregler 7. sehen Belastung der Stromrichterelemente. Darüber Somit wird auch das sogenannte Lastintegral \ Ri²dt hinaus bleibt der Gleichstromfluß erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur schnellen Kurzschlußstrombegrenzung in einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage mit wenigstens zwei Stromrichterstationen, bei denen die im Gleichrichterbetrieb arbeitende S'tromrichterstation mit einem Betriebsstromregler zur. betriebsmäßigen Regelung auf konstanten Übertragungsstrom ausgerüstet ist, wobei ein von der Höhe des übertragenen Leitungsstromes oder seinen Änderungen abhängiges Meßorgan vorgesehen ist, welches den Betriebsstromregler.mit einer. Meßgröße beeinflußt, welche bei einer Störung den Leitungsstrom auf seinem gerade vorliegenden Wert zu halten strebt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Stromregler (8) vorgesehen ist, der dem Betriebsstromregler (7) strombegrenzend überlagert ist, daß dessen Regelzeitkonstante um einen vorgebbaren Betrag kleiner ist als die des Betriebsstromreglers (7), daß dessen Stromsollwert (/*_so//) um einen vorgebbaren Betrag über dem Stromsollwert (/_soH) des Betriebsstromreglers (7) liegt und daß sowohl dem zusätzlichen Stromregler (8) als auch dem Betriebsstromregler (7) jeweils ein Stromwandler (12 bzw. 15) zur Erfassung des Stromistwerts (/_is/) zugeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Ausgänge des Betriebsstromreglers (7) und des zusätzlichen Stromreglers (8) über je eine Entkopplungsdiode (16 bzw. 17) auf den Eingang des Gittersteuersatzes (6) geführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgebbare Betrag, um den der Stromsollwert (I*_soii) des zusätzlichen Stromreglers (8) über dem Sollwert (/_soii) des Betriebsstromreglers (7) liegt, ein fester Wert, beispielsweise 0,15, ist und bei Veränderung des Sollwertes des Betriebsstromreglers unverändert bleibt.