DE907798C - Einrichtung zum Schutz einer Gleichstrom-Fernuebertragung gegen Aussertrittfallen des Wechselrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Energieübertragung auf große Entfernungen mittels hochgespannten Gleichstromes, bei der am Ende der Übertragungsleitung ein Wechselrichter angeordnet ist, welcher die übertragene Gleichstromenergie in Drehstromenergie umformt und einem Drehstromnetz zuführt. Die Regelung der übertragenen Leistung bzw. des übertragenen Stromes wird bei einer derartigen Anlage zweckmäßig durch entsprechende Regeleingriffe auf der Seite des die Fernleitung speisenden Gleichrichters durchgeführt. Eine Regelung am Wechselrichter würde nämlich mit Rücksicht auf die Trittgrenze des Wechselrichters bei Störungen in den Drehstromnetzen zu ungünstigen Verhältnissen führen. Meist wird es sich darum handeln, den übertragenen Gleichstrom bzw. die übertragene Leistung konstant zu halten. Bei einer Regelung auf der Wechselstromseite müßte nun, wenn der Strom die Neigung hat, zu steigen, der Steuerwinkel des Wechselrichters verkleinert werden. Eine Verkleinerung des Steuerwinkels hat beim Wechselrichter aber immer eine Annäherung an dessen Stabilitätsgrenze zur Folge. Diese fällt um so mehr ins Gewicht, als ja eine Zunahme des übertragenen Gleichstromes meist auf ein Absinken der Spannung in dem gespeisten Drehstromnetz zurückzuführen ist, und durch dieses Absinken der Wechselspannung wird das für die Kommutierung des Wechselrichters zur Verfügung stehende Spannungszeitintegral ohnehin schon ver-

kleinert. Es ist deshalb günstig, den Wechselrichter mit konstanter Aussteuerung zu betreiben, und zwar wird man diese Aussteuerung möglichst hoch, den Steuerwinkel des Wechselrichters also mögliehst klein wählen, damit der Wechselrichter mit einem guten Leistungsfaktor arbeitet. Nun kann aber bei größerer Länge der Übertragungsleitung eine Regelung des Gleichrichters auf konstanten Strom oder konstante Leistung nicht verhindern, ίο daß bei plötzlichen Spannungsabsenkungen in dem vom Wechselrichter gespeisten Drehstromnetz doch die geregelte Größe am Wechselrichter vorübergehend stark ansteigt. Zunächst liegt das an der Kapazität des Gleichstromkabels, welches beim Absinken der von dem Wechselrichter gelieferten Gegenspannung das Bestreben hat, sich über den Wechelrichter zu entladen. Vor allem aber macht sich die endliche Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Strom- bzw. Spannungswellen auf der Gleichao stromleitung störend bemerkbar. Man kann die Fortpflanzungsgeschwindigkeit längs des Gleichstromkreiises etwa mit 50 bis 100· km/ms veranschlagen. Das hat zur Folge, daß bei einer Störung in dem gespeisten oder dem speisenden Drehstromnetz der auf der Gleichrichterseite ausgeübte Regeleinfluß auf der Wechselrichterseite erst nach Ablauf einer gewissen, durch den Hin- und Rücklauf der Stromwellen bedingten Zeit zur Wirkung kommt. In dieser Zeit kann aber die Überlastbarkeit des Wechselrichters durch das Ansteigen des Gleichstromes bereits überschritten sein.

Die Erfindung schlägt deshalb vor, auf der Wechselrichterseite Mittel vorzusehen, die die Änderungsgeschwindigkeit der zu regelnden Größe auf ein solches Maß herabsetzen, daß bei Störungen, welche die Regelung auf der Gleichrichterseite zum Ansprechen bringen, bis zu dem Zeitpunkt, in welchem dieser Regelvorgang auf der Wechselrichterseite wirksam wird, die Trittgrenze des Wechselrichters nicht durch unzulässige Änderung der zu regelnden Größe überschritten wird. Als Mittel zur Herabsetzung der Änderungs'geschwindigkeit der zu regelnden Größe kann eine entsprechend bemessene Induktivität dienen, die in der Nähe des \¥eehselrichters in die Gleichstromübertragungsleitung eingeschaltet wird.

Nun ist bereits vorgeschlagen worden, in solchen Anlagen, in denen die Regelung auf der Gleichrichterseite erfolgt, den Wechselrichter zusätzlich mit einer rasch arbeitenden Kompoundierung auszurüsten, welche im Fall einer Spannungsabsenkung im gespeisten Drehstromnetz den Steuerwinkel des Wechselrichters nicht, wie es zur Konstanthaltung des übertragenen Stromes erforder-Hch wäre, verkleinert, sondern im Gegenteil sogar noch vergrößert. Dies wirkt zwar ebenfalls im Sinne einer Vergrößerung des von dem Wechselrichter umzuformenden Stromes, jedoch wird durch eine Vergrößerung des Steuerwinkels auch die Überlastbarkeit des Wechselrichters vergrößert, so daß auf diese Weise ein zusätzlicher Schutz gegen Außertrittfallen des Wechselrichters gewährleistet wird. Die Kompoundierung des Wechselrichters wird zweckmäßig so ausgebildet, daß der Wirkstrom konstant gehalten wird, um im Störungsfall nicht noch zusätzliche Wirklaststöße in das gespeiste Drehstromnetz gelangen zu lassen. Es wird also, wenn J_g den Gleichstrom und β den Steuerwinkel des Wechselrichters bedeutet, vorteilhaft der Wert Ig ■ cos · β konstant gehalten, d. h. es wird der Kosiimus des Steuerwinkels in demselben Maße verkleinert, wie der Gleichstrom anwächst.

Die Geschwindigkeit, mit der diese Kompoundierung zur Wirkung gelangt, reicht aber auch nicht in allen Fällen aus, um ein Überschreiten der Trittgrenze des Wechselrichters zu verhindern. Zunächst bedarf die Kompoundierungseinrichtung beim Auftreten einer Störung einer gewissen Zeit, um überhaupt zum Ansprechen zu kommen. Sodann muß aber auch beachtet werden, daß für die jeweilige Überlastbarkeit des Wechselrichters ja immer nur der Zustand des Wechselrichters im Kommutierungsabschnitt maßgebend ist. Es kommt also darauf an, wie weit der erste Kommutierungsvorgang, der bereits unter dem Einfluß der Korn- poundierung stattfindet, zeitlich von dem Augenblick des Eintritts der Störung entfernt ist. Auch hier wirkt sich das Vorhandensein der erfindungsgemäßen Verzögerungsmittel günstig aus, und zwar müssen gemäß der weiteren Erfindung diese Verzögerungsmittel so bemessen sein, daß der Gleichstrom den Höchstwert, der bei der abgesunkenen Wechselspannung und" dem betriebsmäßigen Steuerwinkel des Wechselrichters noch kommutiert werden kann, vom Augenblick der Störung an gerechnet, erst dann erreicht, wenn die Kommutierung des Wechselrichters bereits unter Einwirkung der Kompoundierungseinrichtung erfolgt. Es läßt sich zeigen, daß für diesen Zeitabschnitt die Summe aus der zum Ansprechen und Verstellen der Kompoundierungseinrichtung erforderlichen Gesamtzeit und dem normalen Zeitabstand zweier aufeinanderfolgender Kommutierungsvorgänge des Wechselrichters veranschlagt werden muß. Bei einer Frequenz von 50 Hz und einer Kommutierung im dreiphasigen System ist der Abstand zwischen zwei normalen Kommutierungsvorgängen 6,6 ms, bei sechsphasigen Systemen 3,3 ms.

In Fig. ι ist die normale Wechselspannung U="s gesetzt. Der Wechselrichter möge mit einer Kornpoundierung ausgerüstet sein. Diese Kompoundierung benötigt aber, wie noch weiter unten darelegt werden wird, eine gewisse Zeit J₂, um zur Wirkung zu gelangen. Sie möge so ausgelegt sein, daß der Wirkstrom J_w konstant gehalten wird. Wegen der Verzögerungszeit der Kompoundierung steigt der Wirkstrom J_w von dem ursprünglichen, ebenfalls gleich 1 gesetzten Wert zunächst an, um dann wieder auf den Wert 1 zurückzukehren.

Die Größe der Überlastbarkeit ü des Wechselrichters hängt in jedem Augenblick ab von der Größe des Gleichstromes und von der Höhe der Wechselspannung. Im normalen Betrieb möge der Wechselrichter eine Überlastbarkeit ü haben, die tun einen bestimmten Betrag größer als 1 ist. Durch das Zusammenbrechen der Spannung U innerhalb

des Zeitabschnittes t_t nimmt die Überlastbarkeit ü ebenfalls rasch ab, um dann, zunächst noch unbeeinflußt von der Kompoundierung, etwas langsamer weiterzusinken. Erst im Punkt A, nach Ablauf der Zeit i₂ vom Störungsaugenblick t₀ an gerechnet, setzt dann die Kompoundierung des Wechselrichters ein und läßt die Überlastbarkeit U wieder ansteigen. Die Ordinate des Punktes A hängt nun davon ab, wie weit innerhalb der Zeit Z₂

ίο der Gleichstrom J_g angestiegen ist. Normalerweise, d. h. wenn von der Erfindung kein Gebrauch gemacht worden ist, wird im Zeitpunkt t_z der Gleichstrom Ig bereits so weit angestiegen sein, daß die Überlastbarkeit ü den Wert ι unterschritten hat.

In diesem Fall fällt also der Wechselrichter trotz der Kompoundierung außer Tritt. Durch die Erfindung wird erreicht, daß, wie es in Fig. ι auch dargestellt ist, der Gleichstrom I _g nur so langsam anzusteigen vermag, daß der Punkt A der Über-

ao lastungskurve noch oberhalb des Wertes ι liegt. Dia bis zu dem Zeitpunkt i₂ für die Überlastbarkeit des Wechselrichters noch der ursprüngliche betriebsmäßige Steuerwinkel maßgebend ist, darf also, mit anderen Worten, der Strom I_g bis zu diesem

as Zeitpunkt, in welchem die Kompoundierung einsetzt, nicht so weit steigen, daß die dem ursprünglichen Steuerwinkel entsprechende Überlastbarkeit den Wert ι unterschreitet. Zeigt der Strom J_g den flachen Anstieg, der in Fig. ι dargestellt ist, so wird die Trittgrenze des Wechselrichters niemals unterschritten, zumal ja nach einiger Zeit der Strom I_g durch das Wirksamwerden der Gleichrichterregelung konstant gehalten wird.

Es fragt sich nun, wie groß die Zeit J₂ ist, die vergeht, bis die Wechselrichterkompoundierung zur Wirkung gelangt. In Fig. 2 sind diese Verhältnisse für einen dreiphasigen Wechselrichter dargestellt. Im Zeitpunkt t₀ möge die Störung auftreten. Dann vergeht zunächst eine gewisse Zeit R, bis die Kompoundierungseinrichtung überhaupt angesprochen und die Verstellung des Steuerwinkels bewirkt hat. Der Steuerwinkel, mit dem der Wechselrichter im normalen Betrieb gearbeitet hat, möge gleich ß_x sein, wobei die Kommutierung den Zeitabschnitt M₁ in Anspruch genommen haben möge. ß₀ sei der Sicherheitswinkel, der die zulässige Grenze für den Endpunkt der Kommutierung festlegt. Der Steuerwinkel soll nun unter dem Einfluß der Kompoundierung von ß₁ auf ß₂ um das Maß ν zunehmen. In Fig. 2 ist der Zeitpunkt J₀ des Eintretens der Störung so gewählt, daß sich unmittelbar an die Eigenzeit der Kompoundierung¹ der neue Steuerwinkel /J₂ anschließt. In diesem Fall würde also der Wechselrichter bereits in dem Kommiutierungsabschnitt I, der unmittelbar nach Ablauf der Eigenzeit R der Kompoundierungseinrichtung beginnt, imstande sein, einen höheren Strom entsprechend dem neuen Steuerwinkel ß₂ zu kommutieren. Wäre die Eigenzeit R aber etwas größer, so würde im Kommutierungsabschnitt I der Steuerwinkel ß₂ noch nicht zur Verfügung stehen, sondern das wäre erst in dem darauffolgenden Kommutierungsabschnitt II der Fall. Das gleiche tritt ein, wenn die Störung nicht im Zeitpunkt t₀, sondern einen Augenblick später eintritt. Mit Sicherheit ist der neue Steuerwinkel also erst nach einer Zeit t_t erreicht, die noch um den Zeitabstand zweier normaler Kommutierungen größer ist als die Eigenzeit R der Kompoundierungseinrichtung. Bei der der Fiig. 2 zugrunde gelegten I2o°-Schaltung des Wechselrichters beträgt der Abstand zweier normaler Kommutierungen 6,6 ms; innerhalb der Zeit t_t darf also der Strom nur so weit steigen, daß der Wechselrichter noch mit dem ursprünglichen Steuerwinkel ß₁ eine Überlastbarkeit größer als 1 behält. Im Kommutierungsabschnitt II steht dann für den gesamten Kommutierungsvorgang eine Zeit M₂ zur Verfügung. Daraus ergibt sich in jedem Fall die notwendige Bemessung der Drossel im Gleichstromkreis. Je größer die Induktivität im Gleichstromkreis ist, um so größer ist bei sonst ungeänderten Verhältnissen die Zeit, die der Gleichstrom braucht, um auf einen bestimmten Wert anzusteigen. In Fig. ι ist der Zeitmaßstab, in welchem die Kurven I_g und ü eingezeichnet werden müssen, unmittelbar proportional der Induktivität L im Gleichstromkreis. Die Erfindung hat den Vorteil, daß im normalen Betrieb der Wechselrichter mit einer sehr kleinen Sicherheit gegen Kippen, d. h. mit einem sehr kleinen Steuerwinkel ß, betrieben werden kann. Das bedeutet aber einen Betrieb mit einem guten Leistungsfaktor und einem geringen Aufwand für Blindleistungserzeuger im gespeisten Netz.

Claims (5)

95 PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zum Schutz einer Gleichstrom-Fernübertragung gegen Außertrittfallen des Wechselrichters, bei welcher der Regeleingriff zur selbsttätigen Regelung der übertragenen Leistung bzw. des übertragenen Stromes auf der Gleichrichterseite erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Wechselrichterseite Mittel vorgesehen sind, welche die Änderungsgeschwindigkeit der zu regelnden Größe auf ein solches Maß herabsetzen, daß bei Störungen, welche die Regelung auf der Gleichrichterseite zum Ansprechen bringen, bis zu dem Zeitpunkt, in welchem dieser Regel Vorgang auf der Wechselrichterseite wirksam wird, die Trittgrenze des Wechselrichters nicht durch unzulässige Änderung der zu regelnden Größe überschritten wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Herabsetzung der Änderungsgeschwindigkeit der zu regelnden Größe eine in der Nähe des Wechselrichters in der Fernleitung liegende, entsprechend bemessene Induktivität dient. iao

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer rasch wirkenden Kompoundierung an dem Wechselrichter, die bei Spannungsabsenkungen in dem gespeisten Drehstromkreis seinen Steuer- 1*5 winkel vergrößert, die Mittel zur Herabsetzung

der Änderungsgeschwindigkeit der zu regelnden Größe so bemessen sind, daß der Gleichstrom den höchsten Wert, der bei der abgesunkenen Wechselspannung und dem betriebsmäßigen Steuerwinkel des Wechselrichters noch kommutiert werden kann, vom Augenblick der Störung an gerechnet, erst dann erreicht, wenn die Wechselrichterkompoundierung bereits zur Wirkung gelangt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Mittel für die Herabsetzung der Änderungsgeschwindigkeit der zu regelnden Größe, daß der Gleichstrom den durch die abgesunkene Wechselspannung und den betriebsmäßigen Steuerwinkel des Wechselrichters gegebenen Höchstwert frühestens nach einem Zeitintervall erreicht, welches gleich ist der Summe aus der zum Ansprechen und Verstellen der Kompoundierungs-■ einrichtung· erforderlichen Gesamtzeit und dem normalen Zeitabstand zweier aufeinanderfolgender Kommutierungsvorgänge des Wechselrichters.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter auf konstanten Wirkstrom kompoundiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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