DE69508625T2

DE69508625T2 - Serienkompensierte wechselrichteranlage

Info

Publication number: DE69508625T2
Application number: DE69508625T
Authority: DE
Inventors: Urban Astroem; Per-Erik Bjoerklund; Tommy Holmgren; Tomas Jonsson
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1994-09-23
Filing date: 1995-09-11
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2015-09-12
Also published as: WO1996009678A3; CA2200226A1; EP0809876B1; JPH10505999A; SE9403209L; SE9403209D0; WO1996009678A2; JP3426244B2; CA2200226C; US5666277A; DE69508625D1; EP0809876A2

Description

TECHNISCHER BEREICH

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine reihenkompensierte Stromrichterstation in einer Übertragungsanlage für Hochspannungs-Gleichstrom, insbesondere in 12-Puls- Stromrichtern.

HINTERGRUND

Eine Stromrichterstation in einer Übertragungsanlage für Hochspannungs- Gleichstrom ist zwischen einem Dreiphasen-Wechselspannungsnetz und einem Gleichstromanschluß angeschlossen und umfaßt einen Stromrichter, einen Transformatoranschluß zum Verbinden des Stromrichters mit dem Wechselspannungsnetz und Nebensschlußfilter zum Erzeugen von Blindleistung und Filteroberschwingungen. Der Transformatoranschluß kann aus einer oder mehreren physikalischen Einheiten bestehen. Der Stromrichter ist gewöhnlicherweise ein netzgeführter Stromquellenrichter, womit zu verstehen ist, daß die Umschaltung zwischen den Ventilen des Stromrichters mit Hilfe von im Wechselspannungsnetz vorliegenden Spannungen geschieht und daß der Gleichstromanschluß vom Stromrichter aus gesehen als steife Stromquelle vorliegt. Um die vom Stromrichter erzeugten Oberschwingungen zu verringern, insbesondere der fünften und der siebenten Größe, ist der Stromrichter als zwei Sechspuls-Brücken ausgebildet, die auf der Gleichspannungsseite reihengeschaltet sind und die jeweils an ein entsprechendes Dreiphasen-Wechselspannungssystem mit gegenseitiger Phasenverschiebung von 30º angeschlossen sind. Diese gegenseitige Phasenverschiebung kann dadurch erreicht werden, daß der Transformatoranschluß auch zwei Dreiphasen-Sekundärwicklungen umfaßt, wobei die eine in Sternschaltung (Y- Schaltung) und die andere in Deltaschaltung (D-Schaltung) angeschlossen wird. Der Transformatoranschluß umfaßt außerdem eine gewöhnlicherweise Y-geschaltete Primärwicklung mit geerdetem Neutralpunkt. Eine allgemeine Beschreibung der Übertragungstechnik von Hochspannungs-Gleichstrom geht beispielsweise aus Erich Uhlman: Power Transmission bzw. Direct Current, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1975 hervor. Insbesondere Fig. 2.7 auf Seite 15 veranschaulicht oben erwähnte Gestaltung.
Es ist bereits bekannt Stromrichterstationen reihenzukompensieren, indem Reihenkondensatoren in die Anschlußleitungen zwischen dem Wechselspannungsnetz und den Wechselspannungsanschlüssen der Stromrichterbrücken angeschlossen werden. Dies ergibt mehrere Vorteile. Die Reihenkondensatoren werden periodisch mit dem sie durchfliessendem Strom aufgeladen und die dadurch erzeugte Spannung über die Kondensatoren ergiebt einen Zuwachs der Umschaltspannung über die Kondensatorventile. Die Umschaltspannung wird zu den Spannungen des Wechselspannungsnetzes auf solche Weise phasenverschoben, daß die Ventile, mit den Kontroll- und Löschwinkeln (Umschaltspielraum) bezogen auf die Phasenlage der Spannungen des Wechselspannungsnetzes, im Gleichrichterbetrieb mit Löschwinkeln, die kleiner als Null sind, kontrolliert werden können. Dies ermöglicht eine Verringerung des Blindleistungverbrauches der Stromrichter und schafft außerdem eine Möglichkeit Blindleistung zu erzeugen.
Damit verringert sich der Bedarf Blindleistung in den Nebenschlußfiltern zu erzeugen und diese können somit im wesentlichen ausgehend vom Bedarf an Oberschwingungsfiltrierung dimensioniert werden. Die Ladeströme der Kondensatoren und somit deren Spannung sind dem Gleichstrom im Gleichstromanschluß proportional und mit Hilfe richtiger Auslegung der Kondensatoren kann die Abhängigkeit des Überlappungswinkels von der Größe des Gleichstromes kompensiert werden. Dies bedeutet, daß die Reihenkompensierung dazu beiträgt den Umschaltspielraum auch bei schnellen Stromeinschwingungen aufrecht zu erhalten. Auch die Abhängigkeit des Umschaltspielraumes von der Amplitude des Wechselspannungsnetzes wird mit Hilfe der Reihenkonden -satoren günstig beeinflußt.
Daher ist es in vielen Zusammenhängen wünschenswert Stromrichterstationen auf oben geschildert Weise reihenzukompensieren. In den bekannten Lösungen, die bisher vorgeschlagen wurden, wurden die Reihenkondensatoren zwischen den entsprechenden Sekundärwicklungen des Transformatoranschlusses und den Wechselstromanschlüssen der Stromrichterbrücken angeordnet, womit gemeint ist, daß sechs Kondensatoreinheiten eingebaut werden müssen. Indem die Kondensatoreinheiten anstelle dessen zwischen den Primärwicklungen des Transfor matoranschlusses und dem Wechselspannungsnetz angeordnet werden kann die Anzahl der Kondensatoreinheiten auf drei gesenkt werden. Man hat jedoch herausgefunden, daß die Kondensatoreinheiten mit dieser Gestaltung und beispielsweise einer Erdung des Wechselspannungsnetzes, unzulässig hohem Spannungen ausgesetzt werden, insbesondere da die bei einer solchen Erdung auftretenden Überströme durch die Resonanz zwischen dem Wechselspannungsnetz einschließlich der des Nebenschlußfilters und den Kondensatoreinheiten und dem Transformatoranschluß verstärkt werden können. Auch wenn die Reihenkondensatoren gewöhnlicherweise mit Überstromschutzvorrichtungen, beispielsweise in Gestalt von Überspannungsableitern, ausgerüstet sind, kann deren Belastung in Form erzeugter Leistung unwirklich groß werden, da Fehler obenerwähnter Art oft für einen verhältnismäßig langen Zeitraum verweilen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezweckt eine Gestaltung einer reihenkompensierten Stromrichterstation obenerwähnter Art vorzuschlagen, die ermöglicht die Kondensatoreinheiten in die Anschlußleitungen zwischen der Primärwicklung des Transformatoranschlusses und dem Wechselspannungsnetz zu verlegen.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den beiliegenden Patentansprüchen hervor.
Vorteilhafte Verbesserungen der Erfindung gehen aus der hier folgenden Beschreibung und den Patenansprüchen hervor.
Mit Hilfe einer Ausführung der erfindungsgemäßen Stromrichterstation kann diese so gestaltet werden, daß die Vorteile eines Reihenkompensierens mit drei anstelle von sechs Kondensatoreinheiten erzielt werden, wodurch als Folge geringerer Raumbedarf und im Ganzen eine zuverlässigere und billigere Anlage entstehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird näher mit einer Beschreibung von Ausführungen im Anschluß an die beiliegenden Zeichnungen erklärt, wobei
Fig. 1 eine reihenkompensierte Stromrichterstation bekannter Art schematisch zeigt,
Fig. 2 eine Ausführung einer erfindungsgemäßen reihenkompensierten Stromrichterstation schematisch zeigt,
Fig. 3 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Schaltkreiselementes zeigt,
Fig. 4 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Schaltkreiselementes schematisch zeigt, und
Fig. 5 bis 7 weitere Ausführungen einer erfindungsgemäßen reihenkompensierten Stromrichterstation schematisch zeigen.

KURZE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Fig. 1 zeigt eine bereits bekannte reihenkompensierte Stromrichterstation, die an ein Wechselspannungsnetz N mit drei Phasen A, B und C in einer Übertragungsanlage für Hochspannungs-Gleichstrom angeschlossen ist. Die Stromrichterstation umfaßt einen Stromrichter SR mit zwei reihengeschalteten Gleichstrom-Sechspulsbrücken SR1 und SR2, einem Dreiphasentransformatoransschluß, einem lediglich im Umriß gezeigten Drei -phasennebenschlußfilter SF zum Erzeugen von Blindleistung und zum Filtern von Oberschwingungen und sechs reihengeschaltete Kondensatoreinheiten CSR.
Der Transformatoranschluß umfaßt einen Transformator T mit Y-geschalteter Primärwicklung PW und zwei Sekundärwicklungen SW1 bzw. SW2, und außerdem einen neutralen Leiter WN, der den Neutralpunkt NP der Primärwicklung mit der Erde verbindet. Die Sekundärwicklung SW1 ist Y-angeschlossen und die Sekundärwicklung SW2 hat D-Anschluß. Die Primärwicklung ist an das Wechselspannungsnetz angeschlossen und die Sekundärwicklungen sind über die reihengeschalteten Kondensatoreinheiten mit den Gleichstromterminalen des Stromrichters auf solche Weise verbunden, daß die Sekundärwicklung SW1 mit der Sechspulsbrücke SR1 über drei der reihengeschalteten Kondensatoreinheiten in Verbindung steht, eine je Phase und die Sekundärwicklung SW2 steht mit der Sechspulsbrücke SR2 über die anderen drei reihengeschalteten Kondensatoreinheiten in Verbindung, eine je Phase. Das Nebenschlußfilter ist mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Der Stromrichter, der also einen Zwölfpuls- Stromquellen-Stromrichter bildet, ist auf seiner Gleichspannungsseite an eine lediglich im Umriß gezeigte Gleichstromschaltung angeschlossen, die einen Polleiter WP und eine Elektrodenleitung WE umfaßt, wobei die letztgenannte geerdet ist.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäßen reihenkompensierten Stromrichterstation. Die Stromrichterstation ist einer Art, wie sie im Anschluß an Fig. 1 beschrieben wurde und dieselben Bezeichnungen werden verwendet um Gegenstände derselben Art zu bezeichnen. Die Stromrichterstation gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dadurch, daß die sechs reihengeschalteten, zwischen den Sekundärwicklungen des Transformators und den Stromrichterbrücken angeschlossenen Kondensatoreinheiten CRS, von drei reihengeschalteten Kondensatoreinheiten CN ersetzt werden und daß die Primärwicklung des Transformators an das Wechselspannungsnetz über diese drei reihengeschalteten Kondensator -einheiten angeschlossen ist, eine je Phase, wogegen dessen Sekundärwicklungen direkt an die Stromrichterbrücken angeschlossen sind. Die Stromrichterstation gemäß Fig. 2 unterscheidet sich außerdem von der in Fig. 1 dadurch, daß der Neutralpunkt NP der Primärwicklung über ein Schaltkreiselement AR gemäß der hier unten folgenden Beschreibung geerdet ist.
Ausgehend von einem einphasigen Erdungsfehler, beispielsweise in Phase A, auf der Seite der reihengeschalteten Kondensatoreinheit CN, die zu der Phase gehört, die an das Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, kann mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Schaltkreisberechnungen gezeigt werden, daß Nullfolgeströme auch mit gesperrtem Stromrichter die reihengeschalteten Kondensatoreinheiten durchströmen werden, da die D-angeschlossene Sekundärwicklung SW2 einen geschlossenen Schaltkreis für Nullfolgeströme bildet. Die Impedanz der reihengeschalteten Kondensatoreinheiten und weitere im Schaltkreis eingehende Impedanzen, d. h. die Impedanzen des Transformators, der Nebenschlußfilter und des Wechselspannungsnetzes bilden einen Resonanzschaltkreis. Insbesondere bei einer grundlegenden Tonresonanz, aber nach bei anderen Tieftonresonanzen, beispielsweise dem dritten Ton, werden diese Nullfolgeströme in diesem Schaltkreis besonders stark, inbesondere wenn die Impedanz für Nullfolgeströme zwischen dem Neutralpunkt der Primärwicklung und der Erde sehr niedrig ist, oder bei einer Stromrichterstation mit einem Transformatoranschluß gemäß Fig. 1, gleich Null ist.
Der Transformatoranschluß muß so ausgebildet werden, daß er eine stärkere Impedanz für Nullfolgeströme aufweist. Dies wird mit einer erfindungsgemäßen Ausführung gemäß Fig. 2 erreicht, indem das Schaltkreiselement AR diese Eigenschaft aufweist. In einer vorteilhaften Ausführung umfaßt das Schaltkreiselement einen Überspannungsableiter AR, beispielsweise des Typs ZnO, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Der Überspannungsableiter wird also vorteilhafterweise mit Rücksicht auf die Spannung so ausgelegt, daß er nicht bei den Spannungen in Betrieb kommt, die am Neutralpunkt der Primärwicklung bei eventuellen einphasigen Erdfehlern obenbeschriebener Art vorliegen, d. h. er wird so ausgelegt, daß dessen Schutzniveau oberhalb oben erwähnter Spannung liegt. Er sollt jedoch mit Vorteil so ausgelegt werden, daß Blitzableitungen und andere Ableitungen mit begrenztem Energievolumen begrenzt werden.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung umfaßt das Schaltkreiselement AR, wie in Fig. 4 veranschaulicht, eine zwischen dem Neutralpunkt und der Erde angeschlossene Drosselspule LR. Die Drosselspule bildet eine Impedanz für Nullfolgeströme und ändert außerdem auch die Resonanzbedingungen für obenerwähnten Resonanzschaltkreis. Die Drossel ist so ausgebildet, daß sie beispielsweise bei obenerwähnten Fehlerarten die herrschenden Nullfolgeströme auf eine Größe beschränkt, die für die reihengeschalteten Kondensatoreinheiten harmlos ist, wodurch die Resonanzfrequenz des Resonanzschaltkreises berücksichtigt wird. Die Impedanz der Drossel muß auf eine solche Weise gewählt werden, daß die Resonanzfrequenz des Schaltkreises mit genügendem Spielraum für den Grundton für sämtliche denkbare Netzausbildungen ersetzt wird. Darüberhinaus müssen die kurzzeitigen harmonischen Oberschwingungen oder Unterschwingungen der tatsächlichen Resonanzfrequenz auch berücksichtigt werden. Diese Oberschwingungen oder Unterschwingungen schaffen zusammen mit dem Grundton einen Takt, der die Kondensatorbelastung über die vorgestellte stetige Grundtongröße hinaus erhöht. Auch in dieser Ausführung ist es für das Schaltkreiselement AR auch von Vorteil einen Überspannungsableiter ARP zu umfassen, der gemäß den im Anschluß an Fig. 3 beschriebenen Kriterien gebildet wurde.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen reihenkompensierten Stromrichterstation. Die Stromrichterstation ist ähnlicher Art wie die im Anschluß an Fig. 2 beschriebene und dieselben Bezeichnungen werden verwendet um Bestandteile gleicher Art zu bezeichnen. Die Stromrichterstation gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von der in Fig. 2 veranschaulichten dadurch, daß beide Sekundärwicklungen des Transformators in einer sogenannten erweiterten Delta-Schaltung angeschlossen sind, jeweils mit einer Phasenverschiebung von 15º zur Primärwicklung. Die Sekundärwicklungen des Transformators können daher identisch ausgeführt werden und auf eine an sich bekannte Weise kann eine gegenseitige Phasenverschiebung von 30º zwischen den Sekundärwicklungen mit Hilfe äußerer Anschlüsse erreicht werden. Die Nullfolgeströme sind auf oben im Anschluß an die Fig. 2 bis 4 beschriebene Weise begrenzt.
Fig. 6 und 7 zeigen weitere Ausführungen einer erfindungsgemäßen reihengeschalteten Stromrichterstation. Die Stromrichterstationen sind ähnlicher Art wie im Anschluß an Fig. 2 beschrieben und dieselben Bezeichnungen wurden verwendet um Bestandteile der gleichen Art zu bezeichnen. Die Stromrichterstationen gemäß Fig. 6 und 7 unterscheiden sich von der gemäß Fig. 2 beschriebenen dadurch, daß die Sekundärwicklungen des Transformators in Fig. 6 eine in Sternschaltung und die andere in Zickzackschaltung angeschlossen ist und in Fig. 7 die beiden Sekundärwicklungen des Transformators in Zickzackschaltung sind, jeweils mit einer Phasenverschiebung von 15º zur Primärwicklung und einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 30º. In diesen Ausführungen der Erfindung kann der Neutralpunkt der Primärwicklung direkt mit der Erde mit Hilfe eines neutralen Leiters WN verbunden werden, da die Sekundärwicklungen keine geschlossenen Schaltkreise für Nullfolgeströme aufweisen und daher prinzipiell eine unbegrenzte Impedanz für Nullfolgeströme aufweisen, wenn Fehler oben geschilderter Art vorkommen.
In den Fig. 1 bis 2 und 5 bis 7 ist der Transformator als ein Dreiphasen- Dreiwicklungs-Transformator veranschaulicht, jedoch ist die Erfindung natürlich auch für die Fälle verwendbar, wo der Transformatoranschluß mit Drei- oder Sechsphasen-Zweiwicklungs-Transformatoren mit parallelgeschalteten Primärwicklungen oder als drei Einphasen-Dreiwicklungs-Transformatoren und mit entsprechenden auf obenbeschriebene Weise angeschlossenen Sekundärwicklungen ausgebildet ist.
Indem eine Stromrichterstation obenbeschriebener Art mit einem erfindungsgemäßen Transformatoranschluß versehen wird, können die mit Reihenkompensierung erzielten Vorteile mit einer kleinstmöglichen Anzahl reihengeschalteter Kondensatoreinheiten erreicht werden. Die Stromrichterstation kann also mit einer geringeren Anzahl Bestandteile gebildet werden, was seinerseits geringeren Raumbedarf und insgesamt eine zuverlässigere und billigere Anlage ergibt.

Claims

1. Reihengeschaltete Stromrichterstation in einer Übertragungsanlage für Hochspannungs-Gleichstrom zum Anschluß an ein Wechselspannungsnetz (N) mit drei Phasen (A, B bzw. C), die mindestens zwei reihengeschaltete Gleichstrom- Sechspuls-Stromrichterbrücken (SR1 bzw. SR2) umfaßt, sowie einen dreiphasigen Transformatoranschluß mit zwei Sekundärwicklungen (SW1 bzw. SW2), eine sterngeschaltete Primärwicklung (PW) mit einem an die Erde angeschlossenen Neutralpunkt, eine reihengeschalteten Kondensatoreinheit (CN) für jede der drei Phasen, wobei jede Stromrichterbrücke an die entsprechende Sekundärwicklung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung an das Wechselspannungsnetz über die reihengeschalteten Kondensatoreinheiten angeschlossen ist, daß selektiv

a) eine der Sekundärwicklungen stern- und die andere deltageschaltet ist, und

b) beide Sekundärwicklungen in einer erweiterten Deltaschaltung angeschlossen sind,

und daß der Neutralpunkt mit der Erde über ein Schaltkreiselement (AR) verbunden ist, das hohe Impedanz für Nullfolgeströme durch die Primärwicklung des Transformatoranschlusses aufweist.

2. Stromrichterstation gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Schaltkreiselement einen zwischen dem Neutralpunkt und der Erde angeschlossenen Überspannungsableiter (ARR) umfaßt.

3. Stromrichterstation gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Schaltkreiselement darüberhinaus auch einen Induktor (LR) umfaßt, der zwischen diesem Neutralpunkt und der Erde angeschlossen ist und so ausgebildet ist, daß er Nullfolgeströme durch die reihengeschalteten Kondensatoreinheiten begrenzt.

4. Stromrichterstation gemäß Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzniveau dieses Überspannungsableiters die Spannung übersteigt, die an diesem Neutralpunkt der Primärwicklung bei einem einphasigen Erdfehler auf der Seite des Transformatoranschlusses herrscht, die über die reihengeschalteten Kondensatoreinheiten an das Wechselspannungsnetz angeschlossen ist.

5. Reihengeschaltete Stromrichterstation in einer Übertragungsanlage für Hochspannungs-Gleichstrom zum Anschluß an ein Wechselspannungsnetz (N) mit drei Phasen (A, B bzw. C), die mindestens zwei reihengeschaltete Gleichstrom- Sechspuls-Stromrichterbrücken (SR1 bzw. SR2) umfaßt sowie einen dreiphasigen Transformatoranschluß mit zwei Sekundärwicklungen (SW1 bzw. SW2), eine sterngeschaltete Primärwicklung (PW) mit einem an die Erde angeschlossenen Neutralpunkt, eine reihengeschaltete Kondensatoreinheit (CN) für jede der drei Phasen, wobei jede Stromrichterbrücke an die entsprechende Sekundärwicklung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung an das Wechselspannungsnetz über die reihengeschalteten Kondensatoreinheiten angeschlossen ist, daß der Neutralpunkt direkt über einen neutralen Leiter (WN) geerdet ist und daß selektiv

a) eine der Sekundärwicklungen stern- und die andere deltageschaltet ist, und

b) beide Sekundärwicklungen zickzackgeschaltet sind, sodaß der Transformatoranschluß hohe Impedanz für Nullfolgeströme durch die Primärwicklung aufweist.