DE19606244C2

DE19606244C2 - Verfahren zur Vermeidung von Überströmen in Blindleistungskompensationskondensatoren einer mindestens eine Kondensatorstufe aufweisenden Blindleistungskompensationsanlage an einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz mittels einer diskreten Fourier-Transformation des zeitlichen Spannungsverlaufs

Info

Publication number: DE19606244C2
Application number: DE1996106244
Authority: DE
Inventors: Robert Vogt
Original assignee: Frako Kondensatoren und Anlagenabu GmbH
Current assignee: Frako Kondensatoren und Anlagenabu GmbH
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2016-02-21
Also published as: DE19606244A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver meidung von Überströmen in Blindleistungskompensationskon densatoren einer mindestens eine Kondensatorstufe aufwei senden Blindleistungskompensationsanlage an einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz mittels einer diskreten Fourier-Transformation des zeitlichen Spannungsverlaufs in dem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz.

Blindleistungskompensationsregler dienen zur Kompensation einer Phasenverschiebung zwischen einem Stromnetz und ei ner Netzspannung, um eine damit verbundene Blindleistung zu minimieren. Da eine Blindleistung meist in Motoren ent steht, die Spulen enthalten (induktive als positiv defi nierte Blindleistung), benutzt man zur Kompensation Kon densatoren, die möglichst gleich große kapazitive (negati ve) Blindleistung entnehmen. Es werden also Netzindukti vitäten mit Kapazitäten in Form von Kondensatoren parallel geschaltet. So entsteht ein Blindleistungskompensator für einen Drehstromanschluß im Prinzip aus drei Kondensator wickeln, die im Dreieck geschaltet und vakuumdicht nach außen verschlossen sind. Bei der herkömmlichen Blindlei stungskompensation wird vorausgesetzt, daß die Netzspan nung bzw. der -strom mit der Netzfrequenz oszilliert. Je doch werden durch den zunehmenden Einsatz von Stromrich tern, z. B. zur Drehfrequenzsteuerung von Motoren, Oberwel len in elektrischen Anlagen erzeugt und das Netz mit Blindleistung belastet. Da die Oberwellenströme auch im speisenden Netz fließen, rufen sie dort Spannungsabfälle hervor, welche die Netzspannung so stark verzerren können, daß bei Betriebsmitteln, die sinusförmige Spannungen für ihren Betrieb benötigen, Störungen und Fehlfunktionen aus gelöst oder gar Ausfälle herbeigeführt werden. Insbesonde re kann es beim Einsatz von Leistungskondensatoren zur Blindstromkompensation in Netzen mit stromrichtergespei sten Verbrauchern leicht zu Resonanzerscheinungen kommen. Störungen in Verteilungsanlagen durch Überstromauslösung oder Überschläge an Kontakten und Windungen können durch diese Resonanzerscheinungen verursacht werden. Die Leistungskondensatoren bilden mit dem Blindwiderstand des einspeisenden Transformators und den anderen Netzindukti vitäten einen Reihenschwingkreis. Fällt die Eigenfrequenz des Schwingkreises mit der Frequenz einzelner Oberwellen zusammen, so wird der Schwingkreis angeregt und die Ver teilungsanlage durch hohe Überströme überlastet. Da die Ströme auch über die zugeschalteten Kondensatoren fließen, können diese auch beschädigt oder sogar zerstört werden.

Aus der DE 43 18 502 C1 sind ein Verfahren und eine Schal tung zur Überwachung der Ströme von Leistungskondensatoren zur Blindleistungskompensation im Drehstromnetz bekannt, bei denen die Sekundärwicklung eines mit dem Drehstromnetz verbundenen Spannungstransformators mit der Reihenschal tung eines Meßkondensators und eines Meßwiderstandes ver bunden ist. Der Spannungsabfall längs des Meßwiderstandes wird einer Auswerteschaltung mit einem Vergleicher zuge führt, in dem der Spannungabfall mit einem Sollwert ver glichen wird, wobei bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes ein Warn- und/oder Abschaltsignal erzeugt wird.

Das aus der DE 43 18 502 C1 bekannte Verfahren hat fol gende Nachteile:

1. Das beschriebene Verfahren ist nicht spannungsunabhän gig, da die Schaltung auf jede mögliche Kondensatorspan nung abgeglichen werden muß.
2. Das beschriebene Verfahren ist nicht frequenzunabhän gig, da die Schaltung auf jede Frequenz eingestellt werden muß.
3. Die parallel zum Meßkondensatorabgriff geschaltete Spannungsstabilisierung beeinflußt den Spannungsabfall längs des Meßwiderstandes.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem der artige Netzrückwirkungen und damit verbundene Überströme in den zugeschalteten Kondensatoren erkannt, betragsmäßig genau bestimmt und in Abhängigkeit von den Werten nachfol gend abgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß es die folgen den Schritte umfaßt:

a) Bestimmung der Grundwellenfrequenz f₁ des Wechselstrom netzes;
b) Erfassung und Speicherung von s diskreten äquidistan ten Meßwerten X_k der Spannung, wobei
ist und T_mess die Meßzeit eines Meßvorgangs bedeutet, der Quotient
nicht ganzzahlig, für jedes
x ∈ {ausgewählte Ordnung(en) von Oberwellen, die in den Berechnungen berücksichtigt werden sollen} gewählt ist und
ist, mit
f₁ = Frequenz der Grundwelle (x = 1)
f_x = Frequenz der zu messenden Oberwelle (x < 1);
c) Berechnung des Spannungsanteils Mess_f1 der Grundwelle f₁ und des/der jeweiligen Spannungsanteile Mess_fx der Ober welle(n) x-ter Ordnungen gemäß
mit
d) Berechnung eines Stromfaktors gemäß
wobei
y die niedrigste ausgewählte Ordnung,
z die höchste ausgewählte Ordnung ist;
e) Zumindest zeitweilige Abschaltung mindestens einer Kondensatorstufe der Blindleistungskompensationsanlage, wenn der berechnete Überstromfaktor einen festlegbaren Grenzwert während m aufeinanderfolgenden Messungen über schreitet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, daß im Schritt (a) die Bestimmung der Grundwellenfrequenz f₁ durch m-fache Erfassung derselben und durch anschlie ßende Mittelwertbildung erfolgt.

Ferner kann vorgesehen sein, daß die Meßwerteanzahl s eine Primzahl ist.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß die Ordnung(en) x von Oberwellen, die in den Berechnungen berücksichtigt werden sollen, frei wählbar festgelegt wird (werden).

Vorteilhafterweise umfaßt der Schritt (c):

(c-1) Einlesen von s vorab berechneten Werten:
mit V = 1, 2, . . . , s
und
(c-2) Berechnung von Mess_fx mittels der Beziehungen
sin_k= SinTab_k.x
und
cos_k = CosTab_k.x
wobei die Liste der eingelesenen Werte in Abhängig keit von der jeweiligen Ordnung x mindestens x-fach velängert wird.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß der Grenzwert für den Überstromfaktor über eine Eingabeeinrichtung frei wählbar festgelegt wird.

Außerdem kann vorgesehen sein, daß das Verfahren für alle Phasen des Wechselstromnetzes durchgeführt wird.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß der Überstromfak tor angezeigt wird.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß bei Überstrom ein Alarm ausgelöst wird.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch eine Netzanalyse gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Oberwellen qualitativ und quantitativ erkannt werden und in Abhängigkeit von dem ermittelten Überstrom faktor eine Blindleistungskompensation immer dann ver ringert oder sogar vollständig abgeschaltet werden kann, wenn mit der Blindleistungskompensation Schädigungen des Netzes oder der angeschlossenen elektrischen Einrichtungen zu erwarten bzw. damit verbunden sind.

Durch die Wiederholte Überprüfung der momentanen Grundwel lenfrequenz f sowie Mittelwertbildung und die nachfolgend daran angepaßte Meßzeit T wird die Meßgenauigkeit für die Bestimmung der Oberwellenanteile erhöht. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Wahl der Anzahl von Stütz stellen s die diskrete Fourier-Transformation hinsichtlich ihrer Rechengenauigkeit optimiert.

Werden die Sin- und Cos-Werte gemäß einer besonderen Aus führungsform der Erfindung vorab berechnet und in Form einer Tabelle gespeichert, so kann die Rechenzeit für die Berechnung der Oberwellenanteile verringert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1 bis 3) ist das erfin dungsgemäße Verfahren ein Teil der Software eines Mikro prozessors in einem Blindleistungskompensationsregler 10 rund wird ständig im Hintergrund durchgeführt. Als Grundlage für die Berechnungen dient das Signal am Meßspannungsein gang. Das Programm berechnet aus dem anstehenden Span nungssignal die Ströme in einem an diese Spannung ange schlossenen Kondensator. Berechnet wird der Effektivstrom und der Grundwellenstrom (50 Hz-Strom) im Kondensator. Der Unterschied zwischen den beiden Strömen entsteht durch Oberwellen (Harmonische) im Spannungssignal. Außer der 50 Hz-Schwingung sind je nach Netzbedingungen auch höher frequente Schwingungen in der Spannung vorhanden. Da der Kondensator für höhere Frequenzen niederohmiger ist, wird der Oberwellenanteil der Spannung im Kondensatorstrom noch verstärkt.

Der daraus berechnete Überstromfaktor

fließt dann in die Regelung des Blindleistungskompensa tionsreglers 10 ein.

Wird ein voreingestellter Grenzwert durch den Überstromfaktor überschritten, schaltet der Blindlei stungskompensationsregler 10 einen Teil oder auch alle Stufen ab. Gleichzeitig wird ein Alarm ausgelöst und ein Alarmkreis 17 schließt.

Durch dieses Verhalten werden zwei Dinge erreicht:

a) Der Kondensator wird vor einer Zerstörung durch Über ströme (Oberwellenstrom) geschützt.
b) Rückwirkungen auf die Spannung und ein damit verbunde nes Aufschaukeln der Oberwellen (Resonanzeffekt) wird un terdrückt.

Besonders der Resonanzeffekt kann in einem Netz großen Schaden anrichten, da an allen angeschlossenen Geräte die starken Oberwellen der Spannung anliegen.

Der Mikroprozessor führt ein Meßprogramm aus, das unter anderem eine Routine zur Erkennung von Oberwellenspannun gen und zur Bestimmung derer Oberwellenanteile wie folgt durchführt:

Die Messung des Spannungsverlaufs muß über ein ganzzahli ges Vielfaches der Periodendauer der kleinsten zu messen den Frequenz erfolgen. Im vorliegenden Fall entspricht die kleinste zu messende Frequenz der Netzfrequenz (Grundwel lenfrequenz) f, die normalerweise 50 Hz beträgt. Da jedoch Netzschwankungen auftreten können, wird die Meßzeit T an die aktuelle Netzfrequenz angepaßt, um somit die Meßgenau igkeit zu erhöhen. Dazu werden diskrete, äquidistante Meß werte X_k für die Spannung erfaßt, nachfolgend eine jeweili ge Grundwellenfrequenz f mittels der bekannten Nulldurch gangsbestimmung ermittelt und über zehn derartige Grund wellenfrequenzwerte f gemittelt, wodurch sich eine mitt lere Grundwellenfrequenz f₁ ergibt. Diese mittlere Grund wellenfrequenz f₁ dient zur Berechnung der Meßzeit T, die im vorliegenden Fall zwei Perioden umfaßt:

Da im vorliegenden Fall aufgrund der gerade bei diesen Frequenzen anzutreffenden Resonanzen die Oberwellenanteile der fünften, siebten, elften und dreizehnten Ordnung be stimmt werden sollen, wird gemäß dem vorliegenden erfin dungsgemäßen Verfahren abweichend von einer normalerweise verwendeten Stützstellenanzahl in Form von z. B. 2ⁿ eine Stützstellenanzahl s gewählt, die nicht durch die vorge nannten Ordnungen teilbar ist. Im vorliegenden Fall werden 251 Stützstellen verwendet.

Diese Auswahl der Stützstellenanzahl s liefert eine hohe Rechengenauigkeit. Dies liegt daran, daß bei der Berech nung einer beliebigen Oberwelle keine Wiederholung in den Tabellenwerten (s. unten) entsteht. Das heißt, wenn die abgelegte Tabelle beim Auslesen wiederholt wird, werden bei jedem Durchlauf andere Tabellenwerte benutzt, als bei den vorangegangenen Durchläufen. Das Ziel ist es, für jede Frequenzberechnung alle Tabellenwerte einmalig zu benut zen. Zum einen hat man dadurch keine periodische Wiederho lung der Tabellenwerte, aber auch die Meßwerte werden nicht periodisch vom Meßsignal abgenommen. Ein strobosko pischer Effekt wird dadurch vermieden.

Nachfolgend werden s diskrete, äquidistante Meßwerte X_k für die Spannung erfaßt, wobei

mit Δt = zeitl. Meßintervall.

Der Anteil der x-ten Oberwelle ergibt sich wie folgt:

wobei

f_x = Frequenz der zu messenden Oberwelle (x < 1).

Um Rechenzeit zu sparen, werden die Sin- und Cos-Werte nicht immer wieder neu berechnet, sondern in Form von Sin- und Cos-Tabellen in einem Speicher wie folgt abgelegt:

Um zu allen Meßwerten auch einen passenden Tabellenwert zu haben, müssen die abgelegten Tabellen beliebig mit sich selbst verlängert werden.

Die auszuwertenden Ordnungen x sind im Programm festge legt.

Wenn die Ordnungen der interessierenden Oberwellen noch nicht vor einem Meßzyklus festgelegt worden sind, sondern über eine Eingabeeinrichtung eingebbar sind, ist die Wahl einer Primzahl als Stützstellenanzahl s von Vorteil.

Der Blindleistungskompensationsregler 10 ermittelt aus den Oberwellen der Spannung den Überstrom in den Kondensator stufen und schaltet bei Überlastung alle Kondensatorstufen ab. Dazu wird die Spannung der 50 Hz-Grundwelle und die der Oberwellen gemessen. Um auf den Kondensatorstrom schließen zu können, wird die folgende Formel eingesetzt:

mit f₁ = 50 Hz.

Dieser Formel liegt zugrunde, daß sich ein Strom als Quo tient aus einer Spannung und einem Widerstand ergibt. Die Spannung ist bis auf einen Faktor, der rechnerisch oder meßtechnisch bestimmt werden kann, mit dem Wert Mess_x•f1, identisch ist. Weiterhin wird berücksichtigt, daß der Wi derstand einer Kapazität um den Faktor der Ordnung der Oberwelle verringert wird. Die obige Gleichung für den Überstromfaktor beinhaltet also eine Gewichtung der Stromanteile. Der Überstromfaktor gibt nun das Verhältnis zwischen dem Effektivstrom und dem 50 Hz-Strom in einem idealen Kondensator an. Der Blindleistungskompensations regler überwacht ständig dieses Verhältnis und schaltet bei einer Überschreitung des vorgegebenen Grenzwertes von mehr als einer Minute alle Kondensatorstufen vom Netz, wodurch Schädigungen des Netzes oder der angeschlossenen elektrischen Einrichtungen vermieden werden.

Überströme können auch erkannt werden, wenn statt der Spannung ein Strom gemessen wird. Dann ist bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren die obengenannte Gewichtung nicht erforderlich.

Im Rahmen der Erfindung ist auch denkbar, eine Abschaltung einer oder mehrerer Kondensatorstufe(n) vorzunehmen, wenn nur ein Oberwellenanteil (d. h. eine Oberwelle x-ter Ord nung) einen für diesen Oberwellenanteil gewählten Grenz wert überschreitet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß, wenn nach Abschaltung mindestens einer Kondensatorstufe der Überstromfaktor wei ter ansteigt, eine weitere Kondensatorstufe ab- oder eine größere Anzahl von Kondensatorstufen wieder zugeschaltet wird.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiede nen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10

Blindleistungskompensationsregler

12

Spannungswandler

14

,

16

Temperaturfühler

17

Alarmkreis

18

Display

20

Tasten

Claims

1. Verfahren zur Vermeidung von Überströmen in Blindlei stungskompensationskondensatoren einer mindestens eine Kondensatorstufe aufweisenden Blindleistungskompensations anlage an einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz mittels einer diskreten Fourier-Transformation des zeit lichen Spannungsverlaufs in dem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz, wobei es die folgenden Schritte umfaßt:

a) Bestimmung der Grundwellenfrequenz f₁ des Wechselstrom netzes;
b) Erfassung und Speicherung von s diskreten äquidistan ten Meßwerten X_k der Spannung, wobei
ist und T_mess die Meßzeit eines Meßvorgangs bedeutet, der Quotient
nicht ganzzahlig, für jedes
x ∈ {ausgewählte Ordnung(en) von Oberwellen, die in den Berechnungen berücksichtigt werden sollen} gewählt ist und
ist, mit
f₁ = Frequenz der Grundwelle (x = 1)
f_x = Frequenz der zu messenden Oberwelle (x < 1);
c) Berechnung des Spannungsanteils Messf, der Grundwelle f₁ und des/der jeweiligen Spannungsanteile Mess_fx der Ober welle(n) x-ter Ordnungen gemäß
mit
d) Berechnung eines Stromfaktors gemäß
wobei
y die niedrigste ausgewählte Ordnung,
z die höchste ausgewählte Ordnung ist;
e) Zumindest zeitweilige Abschaltung mindestens einer Kondensatorstufe der Blindleistungskompensationsanlage, wenn der berechnete Überstromfaktor einen festlegbaren Grenzwert während m aufeinanderfolgenden Messungen über schreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (a) die Bestimmung der Grundwellenfrequenz f₁ durch m-fache Erfassung derselben und durch anschließende Mittelwertbildung erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Meßwerteanzahl s eine Prim zahl ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ordnung(en) x von Oberwellen, die in den Berechnungen berücksichtigt werden sollen, frei wähl bar festgelegt wird (werden).

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) umfaßt:

(c-1) Einlesen von s vorab berechneten Werten:
mit V = 1, 2, . . . , s
und
(c-2) Berechnung von Mess_fx mittels der Beziehungen
sin_k = SinTab_k•x
und
cos_k = CosTab_k.x
wobei die Liste eingelesenen Werte in Abhängig keit von der jeweiligen Ordnung x mindestens x-fach verlängert wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Grenzwert für den Überstrom faktor frei wählbar festgelegt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Verfahren für alle Phasen des Wechselstromnetzes durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstromfaktor angezeigt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überstrom ein Alarm ausgelöst wird.