DE19532177C1 - Steuerverfahren und Vorrichtung für einen stromrichtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransformator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren für einen stromrichtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransforma­ tor, mit den Merkmalen, sowie mit den Verfahrensschritten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Steuerverfahrens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 4.

Aufgrund von höher werdenden Forderungen an die Wirtschaft­ lichkeit und Zuverlässigkeit von Energiesystemen entstehen immer größere und zunehmend weitvermaschte Energievertei­ lungsnetze. Hohe Ansprüche an die Lastflußregelung sind damit verbunden. Es soll nicht nur der Leistungsfluß geregelt wer­ den, sondern es sollen auch Leitungen stabilisiert und Lei­ stungspendelungen gedämpft werden. Mit den bisherigen zur Lastflußregelung eingesetzten Betriebsmitteln ist dies wegen deren langsamer Regeldynamik gar nicht oder nur unzureichend möglich. Einen Ausweg bietet hier ein stromrichtergesteuerter Schrägtransformator, welcher aufgrund von fehlenden mechani­ schen Teilen diese hohe Dynamik besitzt.

Der stromrichtergesteuerte Schrägtransformator ist eine Ein­ richtung eines sogenannten FACTS (Flexible AC Transmission System). Zu diesem FACTS gehören Einrichtungen wie SVC (Sta­ tic Var Compensator), STATCON (Static Condenser), CSC (Con­ trolled Series Compensation), ACSC (Advanced Thyristor Con­ trolled Series Compensation), PAR (Phase Angle Regulator) und UPFC (Unified Power Flow Controller). Diese FACTS-Einrich­ tungen sind auf der 8th National Power System Conference vom 14.-17.12.1994 in New Delhi von D. Povh und R. K. Aggarwal in ihrem Vortrag mit dem Titel "Simulation of FACTS Devices" vorgestellt worden. Die FACTS-Einrichtung STATCON ist eine Blindleistungs-Kompensationseinrichtung, die einen selbstge­ führten Stromrichter mit einem kapazitiven Speicher aufweist. Für eine derartige Kompensationseinrichtung werden außerdem in der Literatur die Bezeichnungen SVG (Static Var Generator) und ASVC (Advanced Static Var Compensator) gebraucht.

Aus der Veröffentlichung "Modeling of Unified Power Flow Con­ troller and its Impacts on Power Oscillation Damping" von D. Povh, R. Mihali und P. unko, abgedruckt im Tagungsband "CIGRE Tokyo-Symposium, 22.-24.05.1995" wird die FACTS-Ein­ richtung UPFC mit FACTS-Einrichtungen CSC, SVC, STATCON und PAR bezüglich der Bedämpfung von Leistungspendelungen im Netz verglichen. Die zum Vergleich herangezogenen FACTS-Einrich­ tungen können jeweils nur einen der Systemparameter für eine Leistungsübertragung regeln, beispielsweise wird die Netz­ spannung mittels SVC oder STATCON, die Übertragungsimpedanz mittels CSC und der Übertragungswinkel mittels PAR geregelt. Im Gegensatz dazu kann der UPFC diese drei Systemparameter regeln.

Im Vortrag "Future FACTS Devices", abgedruckt im Tagungsband "FACTS WORKSHOP in Denver, Colorado, March 27, 1995" wird ein UPFC ausführlich beschrieben. Dieser UPFC besteht aus einem Erregertransformator, einem Spannungszwischenkreis-Umrichter und einem Zusatztransformator. Dieser Umrichter weist ein­ gangsseitig und ausgangsseitig einen selbstgeführten Strom­ richter auf, die mittels eines Zwischenkreiskondensators mit­ einander elektrisch leitend verbunden sind. Der Erregertrans­ formator am Erregerknoten ist elektrisch parallel zum Netz und der Zusatztransformator ist elektrisch in Reihe mit dem Netz verbunden. Der UPFC kombiniert die Wirkungen eines STATCON, eines CSC, insbesondere eines GTO-CSC und eines PAR und bietet die Möglichkeit, die drei elektrischen Systempara­ meter zu regeln.

Bisher wird bei stromrichtergesteuerten Schrägtransformatoren ein spannungsgeregelter Zwischenkreis mit Zwischenkreiskon­ densator eingesetzt. Der Blindleistungsaustausch des Erreger­ transformators mit dem Netz basiert dabei auf dem Prinzip eines STATCON. Mit einem über die Zwischenkreisspannung ge­ steuerten Längsspannungsabfall zwischen dem Erregerknoten und den selbstgeführten Stromrichterklemmen wird ein Blindlei­ stungsaustausch mit dem Netz erreicht, wobei die Zwischen­ kreisspannung konstant bleibt. Eine wichtige Einflußgröße ist die Impedanz im Erregerzweig, die meist durch die Streuimpe­ danz des Erregertransformators dargestellt oder zum Anpassen zusätzlich eingebaut wird. Um vom Steuerzustand des Zusatz­ transformators unabhängig zu sein, wird zur Spannungsregelung ein steuerbarer Blindleistungsaustausch mit konstanter Wirk­ leistung benötigt. Dazu erhält man bei dieser Anordnung nicht lineare Betriebskurven mit relativ aufwendigen Regelalgo­ rithmen, da der Blindleistungsaustausch quasi indirekt mit einem Spannungsabfall über eine Längsimpedanz gesteuert wird.

Aus der DE 43 23 290 A1 ist ein stromrichtergesteuerter, stromeinprägender Schrägtransformator der eingangs genannten Art bekannt, der aus einem Erregertransformator, einem zwei mit einem Gleichstromzwi­ schenkreis verbundenen Stromrichter aufweisenden Umrichter und einem Zusatztransformator besteht. Als Stromrichterven­ tile der beiden Stromrichter des Umrichters können abschalt­ bare Leistungshalbleiter vorgesehen sein. Die Vorrichtung zur Durchführung eines Steuerverfahrens besteht bei diesem strom­ richtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransformator aus einem Leistungssteuerglied, einem Stromrichter und zwei Steu­ ergeräten. Das Leistungssteuerglied generiert aus einem Real­ teil Psoll und einem Imaginärteil Qsoll einer vorgegebenen, zu übertragenden komplexen Leistung einen Zwischenkreisstrom- Sollwert und einen Steuerwinkel für den ausgangsseitigen Stromrichter des Umrichters. In Abhängigkeit dieses ermittel­ ten Zwischenkreisstrom-Sollwertes und eines gemessenen Zwi­ schenkreisstrom-Istwertes wird ein Steuerwinkel für den er­ regerseitig angeordneten Stromrichter des Umrichters ermit­ telt. Aus dem Steuerwinkel werden jeweils mit einem Steuer­ gerät Steuersignale bzw. Zündimpulse für die beiden Strom­ richter generiert. Um die Impulse phasenrichtig zu steuern, wird jedem Steuergerät jeweils die Spannung am Erregerknoten als Synchronisationsspannung zugeführt.

Der erregerseitige Stromrichter des Umrichters des stromein­ prägenden Schrägtransformators kann im Erregerknoten nur in­ duktive Blindleistung aufnehmen.

Diese Blindleistungsaufnahme kann nicht unabhängig von der Wirkleistungsauf- oder -abgabe des ausgangsseitigen Strom­ richters des stromrichtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransformators geregelt werden. Das Hauptaugenmerk lag bei DE 43 23 290 A1 auf der Leistungsbilanz des Zusatztrans­ formators und damit auf der Übertragungsleistung. Die Lei­ stungsbilanz am Erregertransformator war davon abhängig.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Steuerver­ fahren für einen stromrichtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransformator anzugeben, mit dem unabhängig vom Steuer­ zustand des Zusatztransformators eine definiert einstellbare Blindleistungsbilanz am Erregertransformator eingestellt wer­ den kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß in Abhängigkeit einer Spannungsregelung am Er­ regerknoten ein weiterer Sollwert für diese Stromregelung generiert wird, erhält man einen Pulsfaktor, womit ein Ver­ hältnis von Treib- und Freilaufzeit der Stromrichterventile des erregungsseitigen Stromrichters angegeben wird. Abhängig von dem Verhältnis von Treib- und Freilaufzeit wird die Stromhöhe des Netzstromes eingestellt. Ein variabler Blind­ leistungsaustausch (induktiv und kapazitiv) mit dem Netz ist einfach durch Steuerung des Winkels für den erregerseitigen Stromrichter möglich, da der Stromregler nun den Pulsfaktor bei jedem Steuerwinkel innerhalb des Betriebsbereiches so einstellt, daß der Zwischenkreisstrom und somit die Wirklei­ stung konstant bleibt und der Betriebszustand des Zusatz­ transformators nicht beeinflußt wird. Das heißt, der Strom­ zeiger des Netzes bewegt sich auf einer waagerechten Geraden im Betriebsdiagramm des stromrichtergesteuerten, stromeinprä­ genden Schrägtransformators. Für die Spannungsregelung im Er­ regerknoten werden außerdem keine zusätzlichen Algorithmen benötigt.

Man verhält so unabhängig vom Steuerzustand des ausgangsssei­ tigen Stromrichters die Möglichkeit, im Erregerknoten eine definierte Parallelkompensation (induktiv und kapazitiv) zu betreiben, und die Forderung eines Unified Power Flow Control­ lers (UPFC) in Form der stromeinprägenden Variante, zu erfül­ len.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen 2 , 3 und 5 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Steuerverfah­ rens für einen stromrichtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransformator schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines stromrichtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransformators, in

Fig. 2 ist die Regelung des Zwischenkreisstromes im Pulsbe­ trieb bei einem Steuerwinkel α = 0° dargestellt, die

Fig. 3 zeigt den Stromweg beim Treiben, wogegen die

Fig. 4 den Stromweg beim Freilauf des Pulsbetriebes des er­ regerseitigen Stromrichters zeigt, in der

Fig. 5 ist eine Ortskurve des Leiterstromes der Grund­ schwingung für einen Führungswinkel γ = 90° darge­ stellt, wobei die

Fig. 6 diese Ortskurve für einen Führungswinkel γ = 0° und die

Fig. 7 diese Ortskurve für einen Führungswinkel γ = 180° zei­ gen, die

Fig. 8 zeigt ein Zeigerdiagramm bezüglich der Rückwirkung des impedanzbehafteten Netzstromes auf den Zwischen­ kreisstrom, die

Fig. 9 zeigt den blindleistungsdefinierten Arbeitsbereich des erregerseitigen Stromrichters des Umrichters des Schrägtransformators beim Pulsbetrieb, die

Fig. 10 zeigt eine Vergrößerung des blindleistungsdefinier­ ten Arbeitsbereiches und die

Fig. 11 zeigt die eingeprägte Leistung im Netz in der kom­ plexen Ebene.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines stromrichtergesteuer­ ten, stromeinprägenden Schrägtransformators 2, der mit den Leitungen L1, L2 und L3 einer elektrischen Übertragungslei­ tung elektrisch leitend verbunden ist. Am Erregerknoten B′ ist ein Netz und am Anschlußknoten B ein anderes Netz ange­ schlossen. Zur Leistungsflußsteuerung zwischen diesen beiden Netzen ist der stromrichtergesteuerte, stromeinprägende Schrägtransformator 2 vorgesehen. Dieser Schrägtransformator 2 umfaßt im wesentlichen einen Erregertransformator 4, einen Umrichter 6 und einen Zusatztransformator 8. Der Umrichter 6 besteht aus einem erregerseitigen und einem ausgangsseitigen Stromrichter 10 und 12, die mittels eines Gleichstrom-Zwi­ schenkreises 14 miteinander elektrisch verknüpft sind. Die Stromrichter 10 und 12 sind selbstgeführte Stromrichter, die jeweils als Stromrichterventile V1, . . ., V6 und V1′, . . ., V6′ abschaltbare Leistungshalbleiterschalter aufweisen. Für den stromeinprägenden Betrieb werden symmetrisch sperrende Ven­ tile V1, . . ., V6 und V1′, . . ., V6′ benötigt. Leistungshalbleiter­ schalter, die zur Zeit diese Bedingung erfüllen können, sind Gate-Turn-Off-(GTO-)Thyristoren und MOS-gesteuerte Thyristo­ ren (MOS Controlled Thyristors - MCT). Außerdem können Insu­ lated-Gate-Bipolar-Transistors (IGBTs) verwendet werden, die durch Verwendung von Seriendioden rückwärts sperrfähig ge­ macht werden und somit als Stromrichterventile zum Einsatz kommen. Da der Umrichter 6 als Gleichstromzwischenkreis-Um­ richter aufgebaut ist, werden keine Freilaufdioden für die Stromrichterventile V1, . . ., V6 und V1′, . . ., V6′ der Stromrich­ ter 10 und 12 benötigt.

Mittels des erregerseitigen Stromrichters 10 wird der Gleich­ strom Id im Gleichstrom-Zwischenkreis 14 entsprechend dem Be­ trag der komplexen Leistung und mittels des ausgangsseitigen Stromrichters 12 über eine Winkelsteuerung der Phasenwinkel der komplexen Leistung in den vier Quadranten eingestellt.

Die Eingangwicklungen 16 des Erregertransformators 4 sind mit den Leitungen L1, L2 und L3 am Erregerknoten B′ verbunden und tauschen elektrische Leistung mit dem am Erregerknoten B′ an­ geschlossenen Netz aus. Die Ausgangswicklung 18 dieses Erre­ gertransformators 4 ist üblicherweise mit den Wechselspan­ nungsanschlüssen des Stromrichters 10 des Umrichters 6 ver­ bunden. Die Eingangswicklungen 20 des Zusatztransformators 8 sind mit den Wechselspannungsanschlüssen des Stromrichters 12 verknüpft, wobei dessen Ausgangswicklungen 22 jeweils seriell in den Leitungen L1, L2 und L3 angeordnet sind.

Zur Steuerung dieses stromrichtergesteuerten, stromeinprägen­ den Schrägtransformators 2 ist eine Vorrichtung 24 vorgese­ hen. Diese Vorrichtung 24 weist ein eingangsseitiges Lei­ stungssteuerglied 26 und zwei ausgangsseitige Steuergeräte 28 und 30 auf. Außerdem ist ein komplexer Stromregler 32 und ein Spannungsregler 34 vorgesehen. Der Spannungsregler 34 ist ausgangsseitig mit dem Stromregler 32 verknüpft, der außer­ dem eingangsseitig mit dem Leistungssteuerglied 26 verbunden ist. Ausgangsseitig ist dieser Stromregler 32 mit dem Steuer­ gerät 28 für den erregerseitigen Stromrichter 10 verbunden. Das Steuergerät 30 für den ausgangsseitigen Stromrichter 12 des Umrichters 6 ist eingangsseitig mit einem Ausgang des Leistungssteuergliedes 26 verknüpft. Dem Steuergerät 28 bzw. 30 ist eine Ansteuereinrichtung 36 bzw. 38 nachgeschaltet′, die aus den Steuersignalen S_{n GR} bzw. S_{ν WR} Zündsignale S1, . . ., S6 bzw. S1′, . . ., S6′ generiert.

Dieser Vorrichtung 24 werden folgende Signale zugeführt:
Realteil Psoll der zu übertragenden komplexen Leistung S, Imaginärteil Qsoll der zu übertragenden komplexen Leistung S, Betrags-Sollwert UB′Soll und Betrags-Istwert UB′ist der Span­ nung am Erregerknoten B′, Zwischenkreisstrom-Istwert Idist und Spannungszeiger UB′ der Spannung UB′ am Erregerknoten B′. Der Zwischenkreisstrom-Istwert Idist wird mittels einer im Gleichstrom-Zwischenkreis 14 angeordneten Meßwerterfassungs­ einrichtung 40 ermittelt. Aus dem Realteil PSoll und dem Imaginärteil Qsoll der vorgegebenen zu übertragenden komple­ xen Leistung S wird mittels des Leistungssteuergliedes 26 ein Zwischenkreisstrom-Sollwert IdSoll und ein Wechselrichter­ steuerwinkel α_WR berechnet. Für diese beiden Berechnungen werden folgende Gleichungen benutzt:

und

Der Spannungsregler 34 stellt in Abhängigkeit eines ermittel­ ten Betrags-Istwertes UB′Ist der Spannung UB′ am Erregerknoten B′ und seines Betrags-Sollwertes UB′Soll einen Blindleistungs- Sollwert QsollNetz des Netzes dar. Der Stromrichter 32 berech­ net aus dem vom Spannungsregler 34 vorgegebenen Blindlei­ stungs-Sollwert QsollNetz und dem vom Leistungssteuerglied 26 vorgegebenen Zwischenkreisstrom-Sollwert IdSoll einen Gleich­ richtersteuerwinkel α_GR und einen Pulsfaktor p. Das Steuer­ gerät 28 generiert aus dem Pulsfaktor p und dem Gleichrich­ tersteuerwinkel α_GR die Steuersignale S_{ν GR}, wogegen das Steu­ ergerät 30 aus dem Wechselrichtersteuerwinkel α_WR die Steu­ ersignale S_{ν WR} generiert. Um die Steuersignale S_{ν GR} und S_{ν WR} phasenrichtig zu steuern, wird der Spannungszeiger UB′ als Synchronisationsspannung den Steuergeräten 28 und 30 zuge­ führt.

Soll das Drehstromnetz mit einem nahezu sinusförmigen Strom belastet werden, so ist zwischen dem Erregertransformator 4 und dem als Gleichrichter betriebenen Stromrichter 10 ein LC-Filter angeordnet. Die Induktivitäten dieses Filters werden dabei von den Streureaktanzen des Erregertransformators 4 und der Netzreaktanz gebildet. Zusätzlich kann noch eine Indukti­ vität in Reihe geschaltet werden. Diese erleichtert das Ab­ stimmen des Filters, da sie nicht wie die Netzreaktanz vom Schalt- und Belastungszustand des Netzes abhängig ist. Außer­ dem können dann die Filterkondensatoren 42 kleiner ausgeführt werden. Der Filter ist so zu dimensionieren, daß er von der Grundschwingung der Stromrichtereingangsströme möglichst un­ gehindert passiert werden kann und sich die vom Stromrichter 10 verursachten Oberschwingungsströme weitgehend über die Filterkondensatoren 42 schließen.

Vorzugsweise werden die zur Messung, Steuerung und Regelung benötigten Signale digital verarbeitet. Gegebenenfalls können dazu alle benötigten Steuergeräte und Regler mit Rechner aus­ geführt sein.

Die Spannung UB′ wird am Erregerknoten B′ durch den Erreger­ transformator 4 betragsmäßig angepaßt und anschließend im er­ regerseitigen Stromrichter 10 umgerichtet. Die Drossel Lk im Gleichstrom-Zwischenkreis 14 integriert die Spannung im Zwi­ schenkreis auf die Spannung Ud auf und erzeugt einen durch den erregerseitigen Stromrichter 10 in der Höhe verstellbaren Gleichstrom Id. Dieser wird vom ausgangsseitigen Stromrichter 12 in einen Wechselstrom gewünschter Phasenlage umgesetzt und mittels des Zusatztransformators 8 dem Netz am Anschlußknoten B eingeprägt.

Die Höhe des Zwischenkreisstromes Id wird vom erregerseitigen Stromrichter 10 geregelt. Es können dabei grundsätzlich zwei Betriebsarten unterschieden werden.

• (I) Regelung des Zwischenkreisstromes im Vollblock­ betrieb
• (II) Regelung des Zwischenkreisstromes im Pulsbe­ trieb.

Wird der Stromrichter 10 im Vollblockbetrieb betrieben, so wird jedes einzelne Ventil V1, . . ., V6 alle 240° el. einge­ schaltet und bleibt dann auf eine Zeitspanne von 120° el. aktiviert. Die Regelung des Stromes Id erfolgt durch Ver­ schiebung des Zeitpunktes der Ventilzündung zum natürlichen Zündzeitpunkt, d. h. durch Vergrößerung und Verkleinerung des Steuerwinkels α_GR. Entsprechend werden die 120°-Blöcke nach links oder rechts verschoben. Bei einem Steuerwinkel α_GR = 0° erreicht der Zwischenkreisstrom Id seinen Maximalwert, bei einem Steuerwinkel α_GR = 90° wird er im Idealfall, d. h., wenn das Verhältnis von Zwischenkreisinduktivität Lk zu ohmschem Verlustwiderstand sehr groß ist und keine Rückwirkung vom ausgangsseitigen Stromrichter 12 gegeben ist, Null. Da jedoch dieser Idealfall bei einer praktischen Ausführungsform des Stromrichters 10 natürlich nicht gegeben ist und eine aus­ gangsseitige Rückwirkung auftritt, muß noch in den Wechsel­ richterbetrieb, d. h. über 90° hinaus, ausgesteuert werden, um den Zwischenkreisstrom Id auf Null regeln zu können.

Der Pulsbetrieb ermöglicht eine Regelung des Zwischenkreis­ stromes Id bei einem innerhalb des Betriebsbereichs frei wählbaren Steuerwinkel. Die 120°-Einschaltblöcke bleiben grundsätzlich erhalten, jedoch werden zusätzlich Spannungs­ zeitflächen, welche in ihrer Größe beliebig innerhalb des 120°-Blockes verändert werden können, herausgeschnitten (Fig. 2). Dies wird durch einen sogenannten Freilauf erreicht, bei dem sowohl das obere Ventil V1 bzw. V3 bzw. V5 als auch das untere Ventil V4 bzw. V6 bzw. V2 eines Brückenzweiges gleichzeitig leiten (Fig. 4). Die Fig. 3 zeigt einen Strom­ weg beim Treiben des erregerseitigen Stromrichters 10.

Da der Stromrichter 10 stromeinprägend arbeitet, ist der Gleichspannungs-Mittelwert nicht von primärer Bedeutung. Viel bedeutender ist der Gleichstrom-Mittelwert I_{Gdi α}, welcher bei stromeinprägendem Betrieb direkt im Zwischenkreis 14 des Umrichters 6 gemessen werden kann. Der Gleichstrom-Mittelwert I_{Gdi α}, der vom Stromrichter 10 gebildet wird, kann gemäß folgender Gleichung

I_{Gdi α} = I_Gdi0 cos(α) (1)

berechnet werden. Der Winkel α in dieser und in den folgen­ den Gleichungen entspricht α_GR.

Durch die Rückwirkung des im Netz fließenden Stromes I_L1Netz, I_L2Netz und I_L3Netz über den Zusatztransformator 8 treibt der ausgangsseitige Stromrichter 12 ebenfalls abhängig von dem sich bei kurzgeschlossenem Zusatztransformator 8 "natürlich" einstellendem Lastwinkel ϕ_N und dem Wechselrichtersteuer­ winkel α_WR einen Gleichstrom durch den Zwischenkreis 14 des Umrichters 6. Dieser berechnet sich mit dem Fügungswinkel γ zu

nach dem Superpositionsprinzip kann man beide Ströme überla­ gern und erhält so den Gesamtzwischenkreisstrom zu

Es gilt weiterhin i_Gdi0 » I_WRdi0.

Im folgenden wird der Zusammenhang zwischen dem Gesamt- Gleichstrommittelwert und den am Stromrichter 10 netzseitig auftretenden Effektivwerten der Strangströme hergeleitet. Für den Strangstrom I_S gilt:

Somit ergibt sich für den Effektivwert des Eingangsstromes I_L1 am Erregertransformator des Leiters L1:

wobei ü_err das Verhältnis von netzseitiger Spannung zu strom­ richtereingangsseitiger Spannung ist.

Die Grundschwingung I_1L1 des Leiterstromes I_L1 ergibt sich zu

Trägt man den Leiterstrom I_1L1 in der komplexen Ebene auf, wobei die Leiterspannung U_L1 in die Realteilachse gelegt wird, so ergibt sich für den Spezialfall Führungswinkel γ = 90° die in Fig. 5 gezeigte Ortskurve. Sie stellt einen Kreis dar, dessen Kennlinie den Ursprungspunkt berührt. Für allgemeine Führungswinkel γ wird der Kreis entsprechend ver­ zerrt. Die Fig. 6 zeigt die Ortskurve für den Führungswinkel γ = 0° und die Fig. 7 zeigt die Ortskurve für einen Führungs­ winkel γ = +180°.

Der Zwischenkreisstrom Id bei Pulsbetrieb ist vom ermittelten Pulsfaktor p abhängig. Unter Zuhilfenahme von Gleichung (3) läßt sich deshalb der Zwischenkreisstrom I_dpGes bei Puls­ betrieb angeben als

I_dpGes = a(p)I_Gdi0 cos(α) + I_WRdi0 cos(γ); I_dpGes 0 (7),

wobei a(p) eine Funktion darstellt. Für den Effektivwert des Strangstromes bei Pulsbetrieb ergibt sich entsprechend Glei­ chung (4)

Für den Effektivwert des Leiterstromes am Eingang des Erre­ gertransformators 4 bei Pulsbetrieb gilt somit

Von besonderem Interesse ist der Effektivwert des Grund­ schwingungsleiterstromes, der sich in guter Näherung bei ent­ sprechend hoher Pulsfrequenz (< 3 kHz) gemäß Gleichung

ergibt. Mit a(p) = √ kann die Gleichung (7) allgemeingültig wie folgt angegeben werden:

Zu beachten ist, daß der Pulsfaktor p sowohl nach Gleichung (11) in den Brückenfaktor der Grundschwingung

eingeht,
als auch nach Gleichung (12) sich auf den Zwischenkreisstrom Id auswirkt. Die mit dem Netz ausgetauschte Wirkungsleistung wird gemäß folgender Gleichung:

berechnet.

Für die vom Netz aufgenommene Grundschwingungsblindleistung gilt allgemein

Q_Netz = 3U_L1I_1L1p sin(α) (14)

mit Gleichung (11) in Gleichung (14) erhält man

Der in Gleichung (3) und Gleichung (12) vorkommende maximal rückwirkende Strom I_WRdi0 ist im Gegensatz zu I_Gdi0 keine Konstante, sondern vom natürlichen Netzstrom, der sich bei kurzgeschlossenem Zusatztransformator 8 entsprechend den Im­ pedanzverhältnissen im Netz einstellt, abhängig. Da der Zwi­ schenkreis 14 auch einen ohmschen Widerstand besitzt, muß noch ein Verminderungsfaktor S eingeführt werden, der im Idealfall, d. h. bei Widerstand R = 0, eins ist. Somit ergibt sich der maximal rückwirkende Strom I_WRdi0 mit dem Kehrwert des Brückenfaktors zu

Nach Fig. 1 ist der Stromrichter 12 über den Zusatztransfor­ mator 8 seriell in die Übertragungsleitung eingebunden. Der impedanzbehaftete Lastfluß im Netz wird bei gleichstromseitig kurzgeschlossenem Stromrichter 10 einen Strom durch den Zwi­ schenkreis 14 treiben. Die Stromhöhe ist abhängig vom impe­ danzbehafteten Lastwinkel ϕ_N im Netz und dem Wechselrichter­ winkel α_WR. Stimmen diese überein, so kommt der maximale Strom im Zwischenkreis 14 zum fließen. Verändert man nun den Wechselrichterwinkel α_WR, so zwingt man dem Strom im Netz eine neue Phasenebene auf. Es kann dann nur noch der Teil des Stromes im Netz fließen, der die gleiche Phasenebene auf­ weist, die durch den Wechselrichterwinkel α_WR vorgegeben ist. Entsprechend erhält man durch Lotbildung den rückwirken­ den Zwischenkreisstrom bzw. den bei beliebigem Wechselrich­ terwinkel α_WR im Netz fließenden Strom (Fig. 8). Führt man den Führungswinkel γ als Differenzwinkel zwischen α_WR und ϕ_N ein, so ergibt sich die in Gleichung (2) genannte Beziehung.

Die Ortskurven des Leiterstromes in den Fig. 5 bis 7 ver­ deutlichen am besten die Grundschwingungs-Leistungsverhält­ nisse, welche netzseitig am Stromrichter 10 auftreten. Auf­ getragen ist der Effektivwert des Grundschwingungs-Leiter­ stromes I_1L1 gleichrichtereingangsseitig nach Betrag und Pha­ se, wobei die Leitererdspannung in die Realteilachse gelegt ist. Wie man sieht, beschreibt der Leiterstrom LILI abhängig vom Führungswinkel γ eine Ortskurve, die für γ = 90° zu einem Kreis entartet. Sämtliche im Betrieb auftretenden Ortskurven liegen zwischen den Extremwerten γ = 0° (Fig. 6) und γ = 180° (Fig. 7). In den Quadranten I und IV arbeitet die sechspul­ sige Stromrichterbrücke 10 am Erregertransformator 4 als Gleichrichter, in den Quadranten II und III als Wechselrich­ ter. In den Quadranten III und IV wird dem Netz Blindleistung entnommen, in den Quadranten I und II zugeführt. Da die Stromrichterbrücke mit abschaltbaren Halbleiterventilen V1, . . . , V6 ausgeführt ist, stehen alle vier Quadranten zur Re­ gelung des Zwischenkreisstromes Id zur Verfügung. Da im Netz im allgemeinen Blindleistung fehlt, bietet sich ein Gleich­ richterbetrieb im ersten Quadranten an, da dann gleichzeitig zur Lastflußsteuerung noch Blindleistungskompensation betrie­ ben werden kann. Bei Vollblockbetrieb ist eine Änderung des Zwischenkreisstromes Id nicht nur mit einer Wirkleistungsän­ derung, sondern bei α ≠ 0° immer auch mit einer Änderung der Blindleistungsaufnahme oder -abgabe verbunden. Der Betriebs­ bereich innerhalb des Kreises ist im Vollblockbetrieb nicht erreichbar, d. h., im Vollblockbetrieb ist ein konstanter Wirk- oder Blindleistungsbetrieb nicht möglich.

Bei Pulsbetrieb der Stromrichterbrücke 10 steht nicht nur die Ortskurve selbst (Fig. 9), sondern auch die von der Ortskur­ ve umrandete Fläche als Arbeitsbereich zur Verfügung.

Der Betrag des Stromzeigers des Leiterstromes I_1L1p kann di­ rekt über das Puls-Pausen-Verhältnis geregelt werden. Die Um­ randung der Ortskurve stellt dabei eine obere Grenze dar, die, wie man leicht erkennen kann, in ihrem Abstand vom Ur­ sprung, vom Gleichrichterwinkel α_GR, Führungswinkel γ und nach Gleichung (16) vom bei "natürlichen" Verhältnissen flie­ ßenden Netzstrom abhängt. Von Interesse ist nun ein Betrieb des erregerseitigen Stromrichters 10 zur Spannungsregelung bei variablen Blindleistungsaustausch (Arbeitsgerade w) und zur definierten Blindleistungskompensation bei konstantem Blindleistungsaustausch (Arbeitsgerade q).

Bei konstanter Blindleistungsaufnahme, d. h., der Stromzeiger von I_1L1p bewegt sich, wenn der Zwischenkreisstrom Id verän­ dert werden soll, auf einer parallel zur Wirkleistungsachse verlaufenden Geraden q. Soll der Zwischenkreisstrom Id z. B. vergrößert werden, so wandert der Stromzeiger nicht mehr wie bei Vollblockbetrieb von Punkt 1 nach Punkt 2, sondern von Punkt 1′ nach Punkt 2′. Der Pulsbetrieb ermöglicht es somit, daß der erregerseitige Stromrichter 10 nicht nur den entspre­ chenden Zwischenkreisstrom Id zur Verfügung stellt, sondern daß gleichzeitig innerhalb eines gewissen Arbeitsbereiches eine gezielte parallele Blindleistungskompensation durchge­ führt werden kann.

In diesem Arbeitsbereich der Fig. 9 ist eine weitere Ar­ beitsgerade w eingetragen, deren Lage von der vorgegebenen Wirkleistung bzw. Zwischenkreisstrom Id abhängig ist. Soll bei konstantem Zwischenkreisstrom Id die Blindleistungsauf­ nahme verringert werden, so wandert durch die Bestimmung des Pulsfaktors p gemäß dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren, ausgehend vom Betriebspunkt 1′′, der Stromzeiger I_1L1p zum Betriebspunkt 2′′ bei konstantem Zwischenkreisstrom Id.

Um dem Netz eine möglichst große Blindleistung zur Verfügung zu stellen, wird man bestrebt sein, eine Arbeitsgerade q zu wählen, die weit links von der Realteilachse liegt. Wie sich jedoch leicht aus der Fig. 9 erkennen läßt, ist dies wegen des gültigen Arbeitsbereiches nur begrenzt möglich. Wün­ schenswert wäre eine Vergrößerung des möglichen Arbeitsberei­ ches, d. h. eine Vergrößerung der Ortskurvenfläche (Fig. 10). Dies läßt sich durch eine Erhöhung der Ausgangsspannung am Erregertransformator 4 erreichen, wobei jedoch darauf geach­ tet werden muß, daß die maximale Sperrspannung der Stromrich­ terventile V1, . . . , V6 nicht überschritten wird und der Erre­ gertransformator 4 für die entsprechende Scheinleistung aus­ gelegt ist.

Somit kann der Stromzeiger des Leiterstromes I_1L1 bei Voll­ blockbetrieb entlang der kreisförmigen Ortskurve wandern und bei Pulsbetrieb jeden beliebigen Betriebspunkt innerhalb die­ ser Ortskurve ansteuern, wobei eine konstante Blindleistungs­ aufnahme bzw. eine konstante Wirkleistungsabgabe gewährlei­ stet werden kann. Außerdem kann dieser Betriebsbereich kurz­ zeitig verlassen werden, um beispielsweise Flickererscheinun­ gen im Netz zu kompensieren.

Wie, bereits erwähnt, errechnet das Leistungssteuerglied 26 aus den vorgegebenen Größen Qsoll und Psoll gemäß der Glei­ chung

den Wechselrichtersteuerwinkel α_WR bezogen auf die Grund­ schwingung aus.

Legt man nur Wert auf eine Betrachtung der Grundschwingungs­ blindleistung und der Wirkleistung im Netz, so läßt sich die Abhängigkeit der eingeprägten Leistung im Netz, in der kom­ plexen Ebene in Form einer Kreisfläche, wie in Fig. 11 ge­ zeigt, darstellen. Der Betrag des Netzstromes I_L1Netz wird dabei von der Höhe des Zwischenkreisstromes Id bestimmt, wäh­ rend die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom vom Wechselrichterwinkel α_WR abhängt. Interessanterweise kann auf bestimmten Kreislinien, die symmetrisch zum impedanzbe­ hafteten Lastwinkel liegen, unter Ausnützung der Netzrückwir­ kung der Lastfluß ohne Steuerwirkleistung verändert werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens kann eine Blindleistungskompensation oder eine Spannungsregelung ohne zusätzliche Algorithmen und Berechnungen durchgeführt werden, da der Stromregler 32 ohne weiteres Zutun den Pulsfaktor p bei jedem Winkel α_GR so einstellt, daß der Gleichstrom Id und der Zwischenkreis 14 und somit die Wirkleistung konstant bleibt oder den geforderten Sollwert erreicht. Dadurch bewegt sich der Stromzeiger auf einer waagerechten Geraden w bzw. auf einer senkrechten Geraden q im Arbeitsbereich, wobei ein blindleistungsneutraler Betrieb möglich ist.

Somit erhält man mit dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren eine neue Betriebsweise des Schrägtransformators 2, wobei die Blindleistungsbilanz am Erregertransformator 4 unabhängig vom Steuerzustand des Zusatztransformators 8 definiert einge­ stellt werden kann. Dies ermöglicht eine Spannungsregelung oder eine Blindleistungskompensation im Erregerknoten B′ des Erregertransformators 4, wodurch das Problem der Spannungs­ haltung im Erregerknoten B′ zusätzlich gelöst wird.

Claims (5)

1. Steuerverfahren für einen stromrichtergesteuerten, stromeinprägenden Schrägtransformator (2), bestehend aus einem elektrisch parallel zum Netz (L1, L2, L3) geschalteten Erregertransformator (4), einem zwei mit einem Gleichstrom- Zwischenkreis (14) versehene Stromrichter (10, 12) aufweisenden Umrichter (6) und einem elektrisch in Reihe mit dem Netz (L1, L2, L3) geschalteten Zusatztransformator (8), wobei der Umrichter (6) zwischen die beiden Transformatoren (4, 8) geschaltet ist und dessen Stromrichter (10, 12) jeweils abschaltbare Leistungshalbleiter (V1, . . ., V6; V1′, . . ., V6′) aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) aus vorbestimmten Werten (PSoll, QSoll) einer zu übertra­ genden komplexen Leistung (S) wird ein Sollwert (IdSoll) für den Zwischenkreisstrom (Id) berechnet,
• b) aus diesen vorbestimmten Werten (PSoll, QSoll) der zu übertragenden komplexen Leistung (S) wird ein Wechsel­ richtersteuerwinkel (α_WR) berechnet,
• c) aus dem berechneten Zwischenkreisstrom-Sollwert (IdSoll) wird in Abhängigkeit eines gemessenen Zwischenkreis­ strom-Istwertes (IdIst) ein Gleichrichtersteuerwinkel (α_GR) ermittelt,
• d) aus dem berechneten Wechselrichtersteuerwinkel (α_WR) werden Steuersignale (S_{ν WR}) für den ausgangsseitigen Stromrichter (12) des Umrichters (6) generiert,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• e) aus einem vorbestimmten Betrags-Sollwert (UB′Soll) einer Spannung am Erregerknoten (B′) des Schrägtransformators (2) in Abhängigkeit eines gemessenen Betrags-Istwertes (UB′ist) ein Sollwert (QSollNetz) einer Netz-Blindleistung (QNetz) berechnet wird, daß
• f) aus diesen berechneten Werten (IdSoll, QSollNetz) des Zwi­ schenkreisstromes (Id) und der Netz-Blindleistung (QNetz) und des gemessenen Zwischenkreisstrom-Istwertes (IdIst) ein das Verhältnis von Treib- und Freilaufzeit der Leistungshalbleiter (V1, . . ., V6) des erregerseitigen Stromrichters (10) bestimmender Pulsfaktor (p) berechnet wird und daß
• g) aus dem berechneten Pulsfaktor (p) und dem Gleichrich­ tersteuerwinkel (α_GR) Steuersignale (S_{n GR}) für den er­ regerseitigen Stromrichter (10) des Umrichters (6) ge­ neriert werden.

2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter­ steuerwinkel (α_WR) gemäß folgender Gleichung berechnet wird.

3. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Generierung der Steuersignale (S_{ν WR}, S_{ν GR}) aus dem Wechselrichtersteuerwinkel (α_WR), dem Gleichrichtersteuerwinkel (α_GR) und dem Pulsfaktor (p) ein Spannungszeiger (UB′) einer gemessenen Spannung (UB′) am Erregerknoten (B′) des Schrägtransformators (2) als Synchronisationsspannung verwendet wird.

4. Vorrichtung (24) zur Durchführung des Steuerverfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem übergeordneten Lei­ stungssteuerglied (26), einem Stromregler (32) und jeweils einem Steuergerät (28, 30) für die beiden Stromrichter (10, 12) des Umrichters (6) des stromrichtergesteuerten, stromeinprä­ genden Schrägtransformators (2), wobei das Steuergerät (30) des ausgangsseitigen Stromrichters (12) direkt und das Steu­ ergerät (28) des erregerseitigen Stromrichters (10) mittels des Stromreglers (32) mit dem Leistungssteuerglied (26) ver­ knüpft ist, wobei dieser Stromregler (32) mit einer Meßwert­ erfassungseinrichtung (40) für den Zwischenkreisstrom-Istwert (IdIst) verknüpft ist und an den Eingängen des übergeordneten Leistungssteuergliedes (26) vorbestimmte Werte (PSoll, QSoll) einer zu übertragenden komplexen Leistung (S) anstehen, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Span­ nungsregler (34) vorgesehen ist, an dessen Eingängen ein Betrags-Soll- und -Istwert (UB′Soll, UB′Ist) einer Spannung am Erregerknoten (B′) des Schrägtransformators (2) anstehen und daß dieser Spannungsregler (34) dem Stromregler (32) überla­ gert ist.

5. Vorrichtung (24) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Steuergeräten (28, 30) jeweils ein Spannungszeiger (UB′) einer Spannung (UB′) am Erregerknoten (B′) des Schrägtransformators (2) zugeführt sind.