DE19528766C1 - Thyristorgeschaltete Kondensatorbank - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thyristorgeschaltete Kon­ densatorbank mit einem Thyristorschalter und einer Konden­ satorbank.

Ein statischer Kompensator, auch als Static Var Compensator (SVC) bezeichnet, besteht aus einem oder mehreren parallel geschalteten induktiven und kapazitiven Zweigen, die über einen eigenen Transformator oder auch über die Tertiärwick­ lung eines Netztransformators an das Hochspannungsnetz ange­ schlossen werden. Der Einsatz eines eigenen Transformators bietet durch die Festlegung der Nennspannung auf der Sekun­ därseite die Möglichkeit, die Betriebsmittel optimal bezug­ lich ihrer Strom- und Spannungsansteuerung auszulegen. In Mittelspannungsnetzen bis 30 kV kann auch ein direkter Anschluß wirtschaftlich sein.

Die kapazitive Leistung wird über fest angeschlossene oder geschaltete Kondensatoren (Kondensatorbank), auch als Fixed Capacitor (FC) bezeichnet, oder thyristorgeschaltete Konden­ satoren, auch als Thyristor Switched Capacitor (TSC) bezeich­ net, erbracht. In dieser Anwendung wird normalerweise hierzu ein Thyristorschalter verwendet, der aus mehreren in Reihe geschalteten, antiparallelen Thyristoren besteht. Die Kon­ densatorbank muß dann mit einer Schutzdrossel versehen werden, um die Einschaltstromsteilheit zu begrenzen. Der Einsatz mechanisch geschalteter Kondensatoren unterliegt betrieblichen Einschränkungen. Um Ausgleichsvorgänge beim Einschalten so gering wie möglich zu halten und damit Überbeanspruchungen auszuschließen, muß die Kondensatorbank beim Einschalten über einen Leistungsschalter stets entladen sein (z. B. über Entladewiderstand oder -wandler). Demge­ genüber bietet ein Thyristor als Schalter den Vorteil, daß die Kondensatorbank aus jedem Ladezustand und beliebig oft mit dem geringst möglichen Ausgleichsvorgang zu- und abge­ schaltet werden kann. Die hierzu erforderliche "Intelligenz" der Steuerung ist in der Digitaltechnik leicht realisierbar.

Aus der DE 28 04 481 C2 ist eine Anordnung zur Steuerung der Blindleistung eines an ein reaktanzbehaftetes Wechselstrom­ netz angeschlossenen Leistungskondensators bekannt. Um beim schnellen Schalten der Kompensationsblindleistung eine hohe Beanspruchung der Stromrichterventile zu vermeiden, ist zur Reihenschaltung, bestehend aus Leistungskondensator, anti­ parallel geschaltete Stromrichterventile und einer Drossel­ spule, ein Paar aus ein- und ausschaltbaren antiparallel geschalteten Stromrichterventilen mit parallel liegendem Speicherkondensator in Reihe geschaltet. Beim Abschalten der ein- und ausschaltbaren Stromrichterventile nimmt der Speicherkondensator die in der Drosselspule gespeicherte Energie auf und speist diese in der folgenden Halbschwingung beim Einschalten der Stromrichterventile wieder in den Strom­ kreis. Somit arbeitet diese Schaltung verlustfrei.

Die induktive Leistung wird über Drosselspulen erbracht. Diese können entweder geschaltet (Thyristor Switched Reactor (TSR)) oder mit einer entsprechenden Steuerung in der Grund­ schwingungs-Blindleistung auch geregelt (Thyristor Controlled Reactor, (TCR)) werden. Hierzu kann die gesamte, an das Netz abgegebene Blindleistung des statischen Kompensators stufen­ los im Rahmen der am Netzknotenpunkt erforderlichen kapazi­ tiven oder induktiven Blindleistung verstellt werden.

Die kontinuierliche Regelung eines TCR-Zweiges ist immer mit einer Erzeugung von harmonischen Strömen verbunden, die durch den Einsatz von Filtern am Anschlußpunkt des TCR vom Übertra­ gungsnetz ferngehalten werden müssen. Die Erzeugung von Ober­ schwingungen kann nur dadurch völlig ausgeschlossen werden, daß der induktive Zweig gleich wie der kapazitive Zweig ge­ schaltet betrieben wird (Thyristor Switched Reactor (TSR)). Die installierte induktive Blindleistung wird dann ebenfalls nur zu- oder abgeschaltet.

Aus der DE 24 56 895 C3 ist eine Anordnung zur Kompensation von induktiver Blindleistung in einem Wechselstromnetz zur Erzeugung einer steuerbaren kapazitiven Blindleistung be­ kannt. Diese Anordnung weist eine dauernd unmittelbar paral­ lel ans Netz angeschlossene Kondensatorbatterie und eine über einen mit einer Hochspannungswicklung am Netz liegenden Transformator angeschlossene Drosselspule mit steuerbarer Blindleistung auf. Außerdem weist diese Anordnung eine zweite Kondensatorbatterie auf, die über den Transformator ans Netz angeschlossen ist. Die Nennleistung dieser zweiten Kondensa­ torbatterie ist gleich einem Bruchteil der maximalen Blind­ leistung der Drosselspule. Durch die Verwendung der zweiten Kondensatorbatterie auf der Niederspannungsseite des Trans­ formators werden die Nennleistung und die Verluste dieses Transformators wesentlich niedriger.

Der statische Kompensator kann grundsätzlich verschiedene Re­ gelaufgaben erfüllen. Beim Einsatz in Übertragungsnetzen ist dies primär die Aufgabe der Spannungsregelung. Damit kann der statische Kompensator auch zur Begrenzung von betriebsfre­ quenten Überspannungen beitragen, einen Beitrag zur Verbesse­ rung der Netzstabilität liefern und auch Leistungspendelungen zwischen Teilnetzen bedämpfen.

Im Aufsatz "Statische Kompensatoren und ihre Komponenten", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "etz", Band 112 (1991), Heft 17, Seiten 926 bis 930, werden Schaltungsarten, Anwendung und Auslegungskriterien der verwendeten Komponenten von stati­ schen Kompensatoren in der Thyristortechnik diskutiert. Die dargestellten realisierten statischen Kompensatoren bestehen jeweils aus mehreren Blindleistungsstellern, die mittels eines Transformators an ein Hochspannungsnetz angeschlossen sind. Die Auswahl und die Kombination der verschiedenen Blindleistungssteller hängt im wesentlichen von den Anforde­ rungen des Netzes ab. Dabei sind u. a. die folgenden Ge­ sichtspunkte zu berücksichtigen: Gesamtkosten des Kompensa­ tors, Verlustbewertung, Zuverlässigkeit, Wartungsaufwendungen und Erweiterungsmöglichkeiten des Kompensators. Beispielswei­ se besteht die SVC-Anlage Kemps Creek/Australien aus einer thyristorgeschalteten Drossel (TSR) und zwei thyristorgeschalteten Kondensatorbanken (TSC). Die drei Phasen jedes dieser Blind­ leistungssteller sind elektrisch in Dreieck geschaltet und sind identisch aufgebaut.

Wie bereits erwähnt, sollte die Kondensatorbank der thyri­ storgeschalteten Kondensatorbank (TSC) stets beim Einschalten entladen sein. In der Regel wird die Kondensatorbank im Stromnulldurchgang, d. h. zum Zeitpunkt maximaler Netzspan­ nung, vom Wechselspannungsnetz getrennt. Ist die Entladung der Kondensatorbank über einen Entladekreis im Vergleich zur Schwingungsdauer der Wechselspannung ein langsamer Vorgang, so tritt am Thyristorschalter nach einer halben Schwingungs­ dauer praktisch die doppelte maximale Netzspannung auf. Für den Thyristorschalter müssen relativ teuere Thyristoren mit erhöhter Spannungsfestigkeit verwendet oder müssen mehrere Thyri­ storschalter hintereinandergeschaltet werden. Würde nun im ungünstigsten Zeitpunkt eine Fehlzündung eines Thyristors eintreten, so würde eine Umladung der Kondensatorbank maximal auf die dreifache Netzspannungsamplitude erfolgen.

Um den Thyristorschalter nur für eine einfache maximale Netz­ spannung bemessen zu müssen, was aus wirtschaftlichen Gründen von erheblichem Vorteil ist, muß sich die Kondensatorbank über einen Entladekreis schnell genug, längstens während einer halben Periode der Wechselspannung, entladen können. Die Dauer einer halben Periode beträgt bei einer Frequenz der Wechselspannung von 50 Hz 10 ms. Die Kondensatorbank weist üblicherweise eine Kapazität in der Größenordnung von einigen 100 µF auf. Damit sich eine so große Kondensatorbank in 10 ms über­ haupt entladen kann, muß der Entladekreis niederohmig sein. Ein reiner ohmscher Widerstand im Entladekreis dürfte z. B. nur wenige Ohm betragen, was für den Kondensator praktisch einen Kurzschluß mit entsprechend hoher Verlustleistung dar­ stellt, welche bei Zuschaltung der Kondensatorbank zum Wech­ selspannungsnetz nicht tolerierbar ist.

Aus der EP 0 116 275 B1 ist ein Blindleistungskompensator be­ kannt, wobei der Kondensatorbank ein Entladekreis mit minde­ stens einem induktiven Blindwiderstand parallelgeschaltet ist und wobei eine erste Steuereinheit für den Thyristorschalter vorgesehen ist, welcher aus Strom- und Spannungsmeßsignalen eines zu kompen­ sierenden Wechselspannungsnetzes Zündsignale für den Thyri­ storschalter erzeugt, wobei der Entladekreis dauernd ge­ schlossen ist und der induktive Blindwiderstand variabel ist, derart, daß er im Betriebszustand bei geschlossenem Thyri­ storschalter größer und bei geöffnet ein Thyristorschalter kleiner in seinem Wert ist. Ein Vorteil dieser Ausführungs­ form besteht darin, daß eine schnelle und kontinuierliche Entladung der Kondensatorbank nach deren Abschalten vom Wechselspannungsnetz, ohne daß irgendwelche störungsanfällige und teuere Schaltelemente im Entladekreis der Kondensatorbank notwendig sind, erfolgt. Als induktiver Blindwiderstand ist eine Entlade­ kreis-Drossel mit Eisenkern vorgesehen, deren Eisenkern bei demjenigen Strom, welcher sie bei geschlossenem Thyristor­ schalter durchfließt, wenigstens weitgehend ungesättigt und bei größeren Strömen zunehmend gesättigt ist und deren Wick­ lungswiderstand so bemessen ist, daß der Entladevorgang einer stark gedämpften oder apriorischen Schwingung ent­ spricht. Somit wirkt die Entladekreis-Drossel durch die Sätti­ gungseigenschaften ihres Eisenkerns im Entladekreis als va­ riabler Blindwiderstand, der bei Zuschalten des Kondensators zum Wechselspannungsnetz, d. h. bei geschlossenem Thyristor­ schalter, größer ist, als wenn die Kondensatorbank bei geöff­ netem Thyristorschalter vom Wechselspannungsnetz getrennt ist. Der Unterschied zwischen diesen beiden Zuständen ist da­ bei so erheblich, daß im erstgenannten Fall im Entladefall nur ein kleiner, nicht ins Gewicht fallender Strom fließt, während im zweiten Fall ein großer, die Kondensatorbank in weniger als einer halben Periode der Wechselspannung entla­ dender Strom fließen kann. Außerdem kann der Entladekreis dauernd geschlossen sein. Eine Unterbrechung des Ladekreises während der Zuschaltung der Kondensatorbank zum Wechselspan­ nungsnetz ist nicht erforderlich. Damit wird erreicht, daß die Ventilspannung relativ niedrig ist und somit Kosten für teuere Hochspannungsthyristoren eingespart werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine thyristor­ geschaltete Kondensatorbank anzugeben, bei der die Ventil­ spannung ebenfalls relativ niedrig ist, ohne dabei einen spe­ ziellen Entladekreis zu verwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß die Kondensatorbank einer thyristorge­ schalteten Kondensatorbank (TSC) mit einem Thyristorschalter in wenigstens zwei in Reihe geschaltete Kondensatorgruppen aufgeteilt ist, wobei der am Netzanschluß liegenden ersten Kondensatorgruppe die mindestens eine weitere Kondensatorgruppe nachgeschaltet ist, zu der jeweils die Reihenschaltung eines Thyristorschalters und einer Drosselspule parallel geschaltet ist, erhält man einen kapazitiven Spannungsteiler, so daß der Thyristorschalter mit einem dem Spannungsver­ hältnis proportionalen Spannungswert belastet wird. Durch die Aufteilung der Kondensatorbank in mehrere Kondensatorgruppen, deren Kapazitätswerte frei gewählt werden können, entspricht die Spannung eines jeden Thyristorschalters der Spannung der zugeordneten Kondensatorgruppe.

Somit kann der Thyristorschalter auf einen Bruchteil der ma­ ximalen Netzspannung bemessen werden. Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen thyristorgeschalteten Kondensator­ bank besteht darin, daß die Kapazitäten einer einzelnen Kon­ densatorbank in Stufen, die einen Bruchteil der gesamten Ka­ pazität der Kondensatorbank aufweisen, je nach Kombination von zu- und ausgeschalteten Thyristorschaltern variiert wer­ den kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen thyristorgeschalteten Kondensatorbank schema­ tisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine bekannte thyristorgeschaltete Kondensator­ bank, in

Fig. 2 ist in einem Diagramm über der Zeit t der Verlauf der zugehörigen Thyristorspannung dargestellt, wogegen in

Fig. 3 in einem Diagramm über der Zeit t der Verlauf des zu­ gehörigen Thyristorstromes dargestellt ist,

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße thyristorgeschaltete Kon­ densatorbank, wobei in

Fig. 5 in einem Diagramm über der Zeit t die zugehörige Thy­ ristorspannung und in

Fig. 6 in einem Diagramm über der Zeit t der Verlauf des zu­ gehörigen Thyristorstromes dargestellt sind.

In den Figuren sind übereinstimmende Teile und Größen mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist mit 2 eine Leitung eines elektrischen Netzes (Wechselstromnetzes) bezeichnet, das von einem Generator 4 ge­ speist wird. An dieser Leitung ist ein Transfor­ mator 6 angeschlossen, an dessen Sekundärwicklung eine thyristorgeschaltete Kondensatorbank 10 mittels eines Netzanschlusses 12 ange­ schlossen ist. Diese thyristorgeschaltete Kondensatorbank 10 besteht aus einem Thyristorschalter 14 und einer Kondensatorbank 16, die in Reihe geschaltet sind. Der Thyristorschalter 14 ist aus antiparallelen Thyristoren 18 und 20 aufgebaut. Die Zündelektroden dieser Thyristoren 18 und 20 sind mit einer nicht näher dargestellten Steuereinheit verbunden, die aus Signalen des Netzes an sich bekannter und deshalb auch nicht näher erläuterter Weise bei Bedarf an Blindleistung im Wechselspannungsnetz 2 phasenrichtige Impul­ se für die Thyristoren 18 und 20 des Thyristorschalters 14 erzeugt. Der Transformator 6 dient lediglich zur Anpassung der Netzspannung an die Spannung, die aus wirtschaftlichen Gründen für die thyristorgeschaltete Kondensatorbank 10 ge­ wählt wurde. Die thyristorgeschaltete Kondensatorbank 10 kann auch direkt an das Netz angeschlossen werden. Mittels des Thyristorschalters 14 kann in kürzester Zeit die Kondensator­ bank 16 zu- oder abgeschaltet werden. Das Zuschalten geschieht so, daß dabei möglichst keine Ausgleichsvorgänge entstehen. Da dies nicht unter allen Betriebsbedingungen erreicht werden kann, werden Drosselspulen vorgesehen, die den Einschaltstrom der Kondensatorbank 16 begrenzen.

Ist der Thyristorschalter 14 geschlossen, also elektrisch leitend, und damit die Kondensatorbank 16 dem Wechselspan­ nungsnetz zugeschaltet, so entspricht die Spannung an der Kondensatorbank 16 in jedem Augenblick der Netzspannung. Wird die Kondensatorbank 16 durch Öffnen des Thyristorschalters 14 vom Wechselspannungsnetz getrennt, so übernimmt der Thyri­ storschalter 14 zum Schaltzeitpunkt die Kondensatorspannung und in der Folge, mit der Veränderung der Kondensatorspannung und der Netzspannung, jeweils die Differenzspannung aus bei­ den. In der Regel wird die Kondensatorbank 16 im Stromnull­ durchgang, d. h., zum Zeitpunkt maximaler Netzspannung, vom Wechselspannungsnetz getrennt.

Ohne Entladekreis würde sich die Kondensatorbank 16 nur sehr langsam entladen. Dies hätte zur Folge, daß im Zeitpunkt des Minimums der Netzspannung die Ventilspannung u_Th etwa doppelt so groß wie die Netzspannungsamplitude wäre. Für den Thyri­ storschalter 14 müßten relativ teuere Thyristoren 18 und 20 mit erhöhter Spannungsfestigkeit verwendet oder mehrere Thy­ ristorschalter 14 hintereinandergeschaltet werden. Würde nun im ungünstigsten Zeitpunkt eine Fehlzündung eines Thyristors 18 bzw. 20 des Thyristorschalters 14 eintreten, so würde eine Umladung der Kondensatorbank 16 maximal auf die dreifache Netzspannungsamplitude erfolgen. Die zeitlichen Verläufe der Thyristorspannung u_Th und des Thyristorstromes i_Th, für diese thyristorgeschaltete Kondensatorbank 10 sind in den Fig. 2 und 3 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemä­ ßen thyristorgeschalteten Kondensatorbank 10. Bei dieser thy­ ristorgeschalteten Kondensatorbank 10 ist die Kondensatorbank 16 beispielsweise in drei in Reihe geschaltete Kondensatorgruppen 22, 24 und 26 aufgeteilt. Den Kondensatorgruppen 24 und 26 sind jeweils eine Reihenschaltung 28 eines Thyristorschalters 14 und einer Drosselspule 30 elektrisch parallel geschaltet. Die erste Kondensatorgruppe 22, die dem Netzanschluß 12 der thyri­ storgeschalteten Kondensatorbank 10 direkt zugeordnet ist, weist von den Kondensatorgruppen 22, . . ., 26 den größten Kapa­ zitätswert auf. Diese Kondensatorgruppen 22, . . ., 26 bilden einen kapazitiven Spannungsteiler. Durch die Wahl der Kapazitätswerte der einzelnen Kondensatorgruppen 22, . . ., 26 kann die maximale Spannungsbelastung der Thyristoren 18 und 20 der Thyristorschalter 14 vorbestimmt werden. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der thyristorgeschalteten Kon­ densatorbank 10 werden folgende Vorteile erzielt:

• a) Die Kapazität einer thyristorgeschalteten Kondensatorbank 10 kann in Stufen, die einen Bruchteil der gesamten Kapazität der Kondensator­ bank 16 aufweisen, je nach Kombination von zu- und ausge­ schalteten Thyristorschaltern 14 variiert werden.
• b) Die Thyristorschalter 14 müssen nicht für die Spannung der ganzen Kondensatorbank, sondern entsprechend der Spannung der zugeordneten Kondensatorgruppen 24 und 26, ausgelegt werden.
• c) im Falle eines Zündfehlers von einem Thyristorschalter 14 kann dieser nun durch eine gesteuerte Zuschaltung ge­ schützt werden. Das ist jetzt angesichts des Netzbetrie­ bes akzeptabel, da die resultierende Änderung der Kapazi­ tät der Kondensatorbank auf die Wirkung einer einzigen Kondensa­ torgruppe 22 beschränkt ist. Durch den gesteuerten Abbau der Spannungsverlagerung in wenigen Perioden nach jedem Ausschalten des Thyristorschalters 14 (Fig. 5 und 6) wird demnach eine Schutzzündung nur notwendig, falls ein Zündfehler innerhalb dieser kurzen Zeit passiert. Damit müssen die Thyristoren 18 und 20 nicht mehr für das Drei­ fache der normalen Betriebsspannung ausgelegt werden.

Gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik können die Thyristoren 18 und 20 jedes Thyristorschalters 14 ohne einen Entladekreis für einen Bruchteil der einfachen Netzspannung bemessen werden, was aus wirtschaftlichen Gründen von erheb­ lichem Vorteil ist.

Claims (4)

1. Thyristorgeschaltete Kondensatorbank (10), mit einem Thyristorschalter (14) und einer Kondensatorbank (16), wobei diese Kondensatorbank (16) in wenigstens zwei in Reihe geschaltete Kondensatorgruppen (22, 24, 26) aufgeteilt ist und der am Netzanschluß (12) liegenden ersten Kondensatorgruppe (22) die mindestens eine weitere Kondensatorgruppe (24, 26) nachgeschaltet ist, zu der jeweils die Reihenschaltung eines Thyristorschalters (14) und einer Drosselspule (30) parallel geschaltet ist.

2. Thyristorgeschaltete Kondensatorbank (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Kondensatorgruppen (22, 24, 26) die dem Netzan­ schluß (12) direkt zugeordnete erste Kondensatorgruppe (22) den größten Kapazitätswert aufweist.

3. Thyristorgeschaltete Kondensatorbank (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätswerte der der ersten Kondensatorgruppe (22) am Netzanschluß (12) abgewandten Kondensatorgruppen (24, 26) jeweils in Abhängigkeit der zulässigen Sperrspannung des zu­ gehörigen Thyristorschalters (14) wählbar sind.

4. Thyristorgeschaltete Kondensatorbank (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristorschalter (14) aus antiparallelen Thyristoren (18, 20) aufgebaut ist.