DE3308560C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dynamischen Blindleistungskompensation und Symmetrierung für m-phasige Netze ohne Sternpunktleiter mit einem m-phasigen Blindleistungsstromrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Veröffentlichung von Depenbrock: "Kompensation schnell veränderlicher Blindströme." In: etz-a, Bd. 98 (1977), H. 6, S. 408 bis 411 bekannt.

Anstelle der früher üblichen Blindleistungskompensation mit rotierenden Maschinen werden heute im zunehmenden Maße Kompensationseinrichtungen mit Blindleistungsstromrichtern eingesetzt. Dabei wird dem Wechselstromsteller wegen seines einfachen Aufbaus und seines geringen Aufwandes, insbesondere bei großen Leistungen, der Vorzug gegeben. ("Blindleistungskompensation mit Stromrichtern", AEG-Telefunken, Leistungselektronik Sonderheft 4/1982). Ist neben der dynamischen Blindleistungskompensation auch eine Symmetrierung von Lasten (z. B. Drehstromlichtbogenofen) oder Netzen (z. B. Speisung von Einphasen-Bahnnetzen aus Dreiphasen-Landesnetzen) gefordert, wurden bisher nur drei einphasige Wechselstromsteller eingesetzt, weil in den einzelnen Phasen unterschiedliche Kompensationsleistungen geliefert werden müssen. Die in der Fachliteratur (Depenbrock: "Kompensation schnell veränderlicher Blindströme", etz-a, Bd. 98 (1977) Heft 6, Seiten 408 bis 411) vorgeschlagenen einphasigen Vierquadranten-Steller werden wegen des hohen technischen Aufwandes bei großen Leistungen zur Zeit noch nicht eingesetzt.

Die bekannten Regelverfahren setzen als Stellglied drei Wechselstromsteller voraus, die von drei Steuergeräten angesteuert werden (A. Chit, W. Horn, H. Utecht: "Grenzen der dynamischen Wirkungsweise ruhender Blindleistungs-Kompensationseinrichtungen", Technische Mitteilungen AEG-Telefunken 65 (1975) Heft 6, Seiten 205 bis 210 und auch DE 24 14 807 B2).

Die Steuergrößen werden dabei entweder durch phasenweise Anwendung des Steinmetz-Verfahrens oder durch Aufspaltung der Verbraucherströme in Mit- und Gegensystem gebildet. Beide Verfahren haben den Nachteil, daß durch die einphasige Ansteuerung der Wechselstromsteller die relativ große Totzeit des Stellgliedes wirksam wird.

Darüber hinaus besteht die Gefahr einer unerwünschten Verkopplung der drei Strangstrom-Regelkreise, weil eine voneinander unabhängige Verstellung der Strangströme wegen des fehlenden Mittelpunktleiters nicht möglich ist.

Es ist durch die DE 29 05 986 A1, insbesondere Patentanspruch 8, ein Verfahren zur Erzeugung und Einspeisung einer Blindleistung in einen Wechselstromkreis bekannt, bei dem die Leistungswerte im elektrischen System bestimmt werden und diese zur Bildung eines laufenden akkumulierten Leistungsintegralwertes über die Zeit integriert werden. Dabei sind jedoch die Integrationsgrenzen konstant und an die Periodendauer gebunden. Darunter leidet die Regeldynamik.

Durch das von Depenbrock in dem oben bereits erwähnten Aufsatz "Kompensation schnell veränderlicher Blindströme" a. a. O. angegebene Verfahren wird die Dynamik des Regelstromes dadurch verbessert, daß eine gleitende Integration der Regelgrößen vorgenommen wird. Die Kompensation erfolgt über die Erfassung der Wirkleistung.

Mit dem in der DE 32 43 701 nachveröffentlichten, aber am Stand der Technik zu zählenden Verfahren wird dagegen sowohl eine Kompensation über die Augenblickswirk- und -blindleistung als auch eine Symmetrierung der der Scheinleistung überlagerten, mit doppelter Frequenz schwingenden, durch unsymmetrisches Verhalten einer Last (zum Beispiel eines Lichtbogenofens) hervorgerufene Leistungspulsation erreicht. Dort wird auch in diesem Zusammenhang die gesamte Augenblicksblindleistung aller m-Phasen durch Multiplikation der einzelnen, zur jeweiligen Netzspannung orthogonalen Spannungen mit den entsprechenden Netzströmen und anschließender Summenbildung der so gewonnenen, einzelnen Augenblicksleistungen gebildet. Allerdings geht bei diesem Verfahren in die Regelung störend die Verzerrungsleistung mit ein, die zum Beispiel von Stromrichtern größerer Leistung herrührt. Das Verfahren ist also nur dann sinnvoll anwendbar, wenn diese zusätzlichen Oberschwingungen nicht auftreten oder vernachlässigbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das ein gutes dynamisches Verhalten der Kompensations- und Symmetrieeinrichtung unter Vermeidung der großen Totzeit einphasiger Wechselstromsteller gewährleistet und gleichzeitig Einflüsse von störenden Oberschwingungen vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahrensschritte gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung beinhaltet eine neuartige Regelstrategie, die auf der von O. Mohr eingeführten Leistungsdarstellung durch Zeigerdiagramme ("Die Leistungsdarstellung in Ein- und Mehrphasensystemen durch Zeigerdiagramme". In: ETZ-A, Bd. 83 (1962) Seiten 253 bis 263) basiert und für sinusförmigen Verlauf von Strom und Spannung gilt.

Die Augenblickswirkleistung eines Einphasennetzes (vgl. DIN 40 110, Wechselstromgrößen)

kann danach auch in komplexer Form

mit ϕ _u1, ϕ _i1 als Nullphasenwinkel von Spannung und Strom und ϕ₁ = ϕ _u1 - ϕ _i1 als Phasenverschiebungswinkel der Spannung gegen den Strom geschrieben werden.

Definiert man, im Hinblick auf eine vollständige komplexe Leistungsdarstellung, die Augenblicksblindleistung mit Hilfe des Imaginärteils zu

so kann auch die Augenblicksscheinleistung komplex geschrieben werden.

S _t1 = P _t1 + j Q _t1 = S ₁ + S ₁ ∼ e^-j2 ω ^t (4)

Wie von Mohr vorgeschlagen, können nun zwei Arten von komplexen Leistungszeigern definiert werden. S ₁ heißt nach DIN 40 110 komplexe Scheinleistung und S ₁+∼ komplexe Wechselleistung.

Die Größe S ₁ ∼ stellt in komplexer Form die der Scheinleistung S ₁ überlagerte, mit doppelter Frequenz schwingende Leistungspulsation dar. Amplitude und Phasenlage der Leistungspulsation werden durch den Leistungszeiger S ₁ ∼ beschrieben.

Der Vorteil dieser Darstellung ist die problemlose Übertragbarkeit dieser Einphasendarstellung auf m-phasige Netze.

Analog zu der bekannten Zeigerrechnung mit Spannungen und Strömen können nämlich die Summenscheinleistung S und Summenwechselleistung S ₁ ∼ eines m-phasigen Netzes durch Addition der komplexen Einzel-Scheinleistungen S _m , S _m ∼ ermittelt werden. Es gilt

Für die Summe der Augenblicksscheinleistung gilt

S _t = S + S ∼ · e^-j2 ω ^t (6)

P _t + j Q _t = P + j Q + (P ∼ + j Q ∼) e^-j2 ω ^t (7)

Mit dieser Leistungsdarstellung läßt sich die Aufgabe der Blindleistungskompensation und Symmetrierung von m-phasigen Netzen für stationäre Zustände eindeutig formulieren. Ein m-phasiges Netz ist kompensiert und symmetriert, wenn

S _t = P (8)

gilt.

Die Zusammenhänge können auf nichtstationäre Zustände übertragen werden, wenn Wirk- und Blindleistung durch gleitende Mittelwertbildung

definiert werden.

Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Anordnungen werden anhand der Zeichnung nachstehend näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein Regelschema zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben; die Fig. 2 und 3 zeigen Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die in einem Meßumformer 4 in der Fig. 4 gebildete Augenblickswirkleistung P _t

P _t = u₁₃i₁ + u₂₃i₂

(u _uj = Phasenspannungen, i _k = Strangströme) und Augenblicksblindleistung Q _t

eines Netzes 1, hervorgerufen durch eine Last oder eines weiteren Netzes 2, sind Meßgrößen, aus denen durch eine gleitende Fourieranalyse, die in Meßumformern 52, 54, 62, 64 durchgeführt wird, die im nichtstationären Fall zeitabhängigen Fourierkoeffizienten der Spektralanteile der Leistungszeitverläufe gebildet werden. Dazu wird in einem Oszillator 51 ein Vektor F = (cos k ω t, sin k ω t,, . . .) mit netzsynchronen Kosinus- und Sinuszeitfunktionen mit Vielfachen der Netzfrequenz (k = 0, 1, 2, . . .) erzeugt.

Im Sonderfall monofrequenter, sinusförmiger Strom- und Spannungszeitverläufe gibt es, wie der Zeitverlauf von S _t nach Gleichung (6) zeigt, nur einen Gleich- und einen Wechselanteil mit doppelter Frequenz. Es genügt daher k = 0, 2 zu setzen und den Vektor F = (1, cos 2ω t, sin 2ω t) zu definieren. Geht man von einem Leistungszeitverlauf nach Gleichung (6) aus, genügt es, zur Bestimmung der Wechselleistungen P ∼, Q ∼, den Imaginärteil von S _t zu betrachten. Für Q _t = Im { S _t } gilt nach Gleichung (6)

Q _t = Q - P ∼ sin 2ω t + Q ∼ cos 2ω t (9) .

Die Gleichung zeigt, daß die Augenblicksblindleistung Q _t nur dann ganz verschwinden kann, wenn die Blindleistung Q kompensiert und die Wechselwirk- und Wechselblindleistung (P ∼, Q ∼) durch Symmetrierung beseitigt werden können.

Die Kompensations- und Symmetrierbedingung (8) ist für Q = P ∼ = Q ∼ = 0 erfüllt.

Für den hier angenommenen stationären Fall ergibt die gleitende Fourieranalyse, die in den Meßumformern 52, 62 durchgeführt wird, für die Blindleistung

und für die Wechselblindleistung

und für die Wechselwirkleistung

Die gleitende Fourieranalyse der Meßgröße P _t, die in den Meßumformern 54, 64 durchgeführt wird, führt bei dem hier angeführten Sonderfall einer linearen Einphasenlast zu den gleichen Ergebnissen wie in den Gleichungen (10, 11, 12) angegeben und kann daher entfallen (P ^T = 0).

Erfindungsgemäß wird nach Glättung des Istwert-Vektors

in einem elektronischen Filter 7 und dem Soll-Istwert-Vergleich mit einem Sollwert Q _w ^T aus der Regelabweichung mittels eines Reglers 8 ein Stellgrößenvektor Δ Q ^T gebildet. In einem Meßumformer 9 wird schließlich die Fourierdarstellung der Stellgröße Δ Q _t durch Vektormultiplikation

erzeugt und einem Steuergerät 10 eins m-phasigen Blindleistungsstromrichters 3 zugeführt.

Bei bestimmten Blindleistungsstromrichtern, wie z. B. bei über Drehstromsteller gestellten Drosselspulen, kann die Wechselwirk- und die Wechselblindleistung nicht unabhängig voneinander verstellt werden. Bei solchen Stellgliedern wird der Vektor für die Wechselwirkleistung P ^T analog zu dem der Wechselblindleistung Q ^T in den Meßumformern 54, 64 gebildet und zu diesem in einem Summierungspunkt 70 vor dem elektronischen Filter 7 komponentenweise addiert. Es gilt

mit

für n = 1, 2, . . . k und ω = 2π /T.

Dabei sind mit dem Index c die Kosinusglieder, mit dem Index s die Sinusglieder gekennzeichnet.

Das Glied Q _o wird durch Mittelwertbildung über eine Periode (m = 1) oder eine halbe Periode (m = 2) nach der Rechenvorschrift

gebildet.

In dem mehrkanaligen elektronischen Filter 7 werden die zeitabhängigen Fourierkoeffizienten der Kosinus- und Sinusglieder geglättet. Danach werden diese Ausgangswerte zur Bestimmung der Regelabweichung mit Sollwerten P _w ^T , Q _w ^T verglichen. Aus der Regelabweichung werden mittels des Reglers 8 (Mehrkanalregler) Stellgrößenvektoren Δ P ^T , Δ Q ^T , das heißt die Fourierkoeffizienten einer Stellgröße α für das Steuergerät 10 des m-phasigen Blindleistungsstromrichters 3, ermittelt. Diese werden dem Meßumformer 9 zugeführt; dort wird der Zeitverlauf der Stellgröße α durch Multiplikation der Fourierkoeffizienten mit den Sinus- und Kosinuszeitfunktionen sowie der Konstanten "1" des im Oszillator 51 erzeugten Vektors F gebildet; diese Größen sind mit Δ P _t und Δ Q _t bezeichnet. Sie werden addiert und bilden so die Stellgröße α=Δ P _t +Δ Q _t , die dem Steuergerät 10 zugeführt wird.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Ausführungsbeispiel dient dazu, ein Dreiphasennetz 1, das mit einem 50-Hz-Einphasen-Bahnnetz 2 gekoppelt ist, mit Hilfe des Blindleistungsstromrichters 3 zu kompensieren und zu symmetrieren. Der Blindleistungsstromrichter 3 besteht aus drei in Dreieck geschalteten Wechselstromstellern 32 mit Drosselspulen 31 und zwei Saugkreisen 35, 36. Der dritte Saugkreis ist hier weggelassen, weil nur eine Einphasenlast kompensiert werden muß und zur Symmetrierung in einer Phase nur eine gestellte Drosselspule erforderlich ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Regelkreisstruktur ist ähnlich wie in Fig. 1. Ausführlicher dargestellt sind nur die Regelkreise für die Spektralanteile der Augenblicksblindleistung Q _t . Die Signalverarbeitung für die Augenblickswirkleistung P _t kann wegen gleicher Ergebnisse der Wirk- und Blindleistungsanalyse wieder entfallen.

Die Signalverarbeitung für Q _t geschieht in drei parallelen Kanälen; es gibt je einen für die Blindleistung Q (Meßumformer 61, Filter 71, Regler 81), für die Wechselwirkleistung P∼ (Meßumformer 52, Meßumformer 62, Filter 72, Regler 82, Meßumformer 92) und für die Wechselblindleistung Q∼ (Meßumformer 53, Meßumformer 63, Filter 73, Regler 83, Meßumformer 93). Dabei entspricht der Meßumformer 53 in seiner Wirkung dem Meßumformer 52, die Meßumformer 61 und 63 entsprechen in ihrer Wirkung dem Meßumformer 62 und die Meßumformer 92 und 93 in ihrer Wirkung dem Meßumformer 9 gemäß Fig. 1. Gemäß der Rechenvorschrift zur Bildung der Fourierreihe werden die drei Anteile in einem Summenpunkt 91 überlagert. Am Summenpunkt 91 wird noch eine zusätzliche Größe Q _c zur Einstellung der Ruhelage des Regelkreises hinzugefügt. Der Ausgang des Summenpunktes 91 führt über einen Kennliniengeber 11 mit inverser Steuerkennlinie auf das Steuergerät 10 für den Blindleistungsstromrichter 3.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Als Blindleistungsstromrichter werden hier ein Drehstromsteller 33 mit Drosselspulen 34 und drei Wechselstromsteller 32 mit drei Drosselspulen 31 in Dreieckschaltung zur Symmetrierung und Kompensation eines Drehstromlichtbogenofens 21, 22 verwendet. Die Aufteilung in zwei Stellglieder 32, 33 in Dreieck- und Sternschaltung führt aufgrund einer Halbierung der Totzeit zu einer weiteren Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Anlage.

Wenn eine Spannungsanpassung der Thyristoren an die Spannung des Netzes 1 erforderlich ist, können auch Streutransformatoren mit einer Stern- und Dreiecks-Sekundärwicklung verwendet werden. Der Steller hat dann echte Zwölfpuls-Eigenschaften. Dadurch verringern sich die Oberschwingungen im Stellerstrom. Anstelle der hier vorgesehenen zwei 6-Puls-Steuergeräte 10, 10′ mit vorgeschaltetem inversen Kennliniengeber 11, 11′ kann dann ein 12-Puls-Steuergerät verwendet werden. Mit 35, 36 ist ein Saugkreis bezeichnet.

Die Regelkreisstruktur wurde gegenüber Fig. 2 um die Meßumformer 54, 55, 64, 65 zur Analyse der Wechselwirkleistung und die Summierungspunkte 70, 70′ erweitert. Durch die getrennte Messung und anschließender Summation der Wechselwirk- und Wechselblindleistung, die beim Lichtbogenofen zeitlich nicht gleich groß sind, kann die Regeldynamik der Symmetrierregelkreise verbessert werden. Dieses Verfahren ist nur sinnvoll, wenn, wie beim vorliegenden Blindleistungsstromrichter, die Wechselwirk- und Wechselblindleistung nicht unabhängig voneinander gestellt werden können.

Claims (2)

1. Verfahren zur dynamischen Blindleistungskompensation und Symmetrierung für m-phasige Netze ohne Sternpunktleiter mit einem m-phasigen Blindleistungsstromrichter, dessen Stellgröße (α) aus den Phasenströmen und Phasenspannungen gebildet wird, wobei die Augenblickswirkleistung (P _t) durch Multiplikation der jeweiligen Phasenspannung (u₁; u₂; . . . u _m) mit dem entsprechenden Phasenstrom (i₁; i₂; . . . i _m) und anschließender Addition der Augenblickswirkleistungen der m-Phasen gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die gesamte Augenblicksblindleistung (Q _t) aller m-Phasen durch Multiplikation der einzelnen, zur jeweiligen Phasenspannung (u₁; u₂; . . . u _m) orthogonalen Spannungen mit den entsprechenden Phasenströmen (i₁; i₂; . . . i _m) und anschließender Summenbildung der so gewonnenen, einzelnen Augenblicksleistungen gebildet wird,
• 2. die Zeitverluste der gesamten Augenblicksblindleistung (Q _t) und der gesamten Augenblickswirkleistung (P _t) mittels gleitender Fourieranalyse in ihre Fourierkoeffizienten zerlegt werden, indem ein Vektor (F) (F = (cos k ω t, sin k ω z, . . .)) mit netzspannungssynchronen Kosinus- und Sinuszeitfunktionen mit Vielfachen der Netzfrequenz (k = 0, 1, 2, . . .) erzeugt und sowohl mit der gesamten Augenblickswirkleistung (P _t) als auch mit der gesamten Augenblicksblindleistung (Q _t) multipliziert wird, und die so erhaltenen Fourierkoeffizienten nach gleitender Integration komponentenweise addiert, geglättet und danach jeweils mit den Sollwerten der gesamten Augenblickswirkleistung (P _w ^T ) bzw. der gesamte Augenblicksblindleistung (Q _w ^T ) verglichen werden,
• 3. der Zeitverlauf der Stellgröße (α) des m-phasigen Blindleistungsstromrichters durch Multiplikation der einzelnen Fourierkoeffizienten (Δ P ^T , Δ Q ^T ) der Regelabweichung mit den entsprechenden Sinus- und Kosinuszeitfunktionen des Vektors (F) und anschließender Addition gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichheit der Fourierkoeffizienten von Augenblickswirkleistung (P _t) und Augenblicksblindleistung (Q _t) nach ihrer gleitenden Integration lediglich die Fourierkoeffizienten der Augenblicksblindleistung (Q _t) weiterverarbeitet werden.