DE4423033A1 - Dreiphasiger Blindleistungssteller - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen dreiphasigen Blind­ leistungssteller für einen statischen Kompensator.

Die Netze der elektrischen Energieversorgung dient in erster Linie der Übertragung von Wirkleistung. Erzeugte und verbrauchte Leistung müssen immer ausgeglichen sein, sonst kommt es zu Frequenzänderungen. Ebenso wie die Wirkleistungs­ bilanz muß auch die Blindleistungsbilanz stets so ausge­ glichen sein, daß sich tragbare Spannungsverhältnisse im Netz ergeben. Die Blindleitung ist vor allem für das Spannungs­ niveau verantwortlich. Die Wirk- und Blindleistungsbilanz im Netz muß in jedem Augenblick so ausgeglichen werden, daß Spannung und Frequenz innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen.

Die Qualität der elektrischen Energieversorgung hängt weit­ gehend von den Blindleistungsverhältnissen im Netz ab. Die Betriebsspannung soll im ganzen Netz während des Normal­ betriebs in spezifizierten Grenzen bleiben. Bei auftretenden Fehlern darf z. B. eine vorübergehende Spannungserhöhung nicht die Bemessungsgrenze der Netzbetriebsmittel überschreiten. Änderungen der Lastverhältnisse und Änderungen der Netzkonfi­ guration infolge von Fehlern und Schalthandlungen haben Spannungsänderungen im Netz zur Folge, die insbesondere bei niedriger Netzkurzschlußleistung sehr groß sein können.

Aufgrund steigenden Stromverbrauchs und begrenzten Netzaus­ baumöglichkeiten werden die Energieübertragungsnetze immer intensiver genutzt. Blindleistungsflüsse im Netz sind Haupt­ verursacher für Spannungsabfälle und zusätzliche Netz­ verluste. Durch gezielten Einsatz von Blindleistungsmitteln, wie Kondensatoren und Spulen, können eine ausgeglichene Blindleistungsbilanz sowie damit die Auswirkung auf Netz­ spannung und Netzverluste reduziert werden. Die unterschied­ lichen dynamischen Anforderungen können mit schaltbaren oder regelbaren Blindleistungselementen abgedeckt werden. Eine kontinuierliche und dynamische Änderung ist jedoch praktisch nur mit Stromrichterschaltungen möglich. Statische Kompen­ satoren in Thyristortechnik stellen die derzeit wirtschaft­ lichste Lösung zur dynamischen Blindleistungskompensation dar.

Der statische Kompensator, auch als Static Var Compensator (SVC) bezeichnet, besteht aus einem oder mehreren parallel geschalteten induktiven und kapazitiven Zweigen, die über einen eigenen Transformator oder auch über die Tertiär­ wicklung eines Netztransformators an das Hochspannungsnetz angeschlossen werden. Der Einsatz eines eigenen Trans­ formators bietet durch die Festlegung der Nennspannung auf der Sekundärseite die Möglichkeit, die Betriebsmittel optimal bezüglich ihrer Strom- und Spannungsbeanspruchung auszulegen. In Mittelspannungsnetzen bis 30 kV kann auch ein direkter Anschluß wirtschaftlich sein.

Die kapazitive Leistung wird über fest angeschlossene oder geschaltete Kondensatoren (Kondensatorbank) erbracht. In dieser Anwendung wir normalerweise hierzu ein Thyristor­ schalter verwendet, der aus mehreren in Reihe geschalteten, antiparallelen Thyristoren besteht (TSC, thyristor switched capacitor). Der Kondensator muß dann mit einer Schutzdrossel versehen werden, um die Einschaltstromsteilheit zu begrenzen. Der Einsatz mechanisch geschalteter Kondensatoren (FC, fixed capacitor) unterliegt betrieblichen Einschränkungen. Um Ausgleichsvorgängen bei Einschalten so gering wie möglich zu halten und damit Überbeanspruchungen auszuschließen, muß der Kondensator beim Einschalten über einen Leistungsschalter stets entladen sein (z. B. über Entladewiderstand oder -wandler). Demgegenüber bietet ein Thyristorventil als Schalter den Vorteil, daß der Kondensator aus jedem Lade­ zustand und beliebig oft mit dem geringstmöglichen Ausgleichsvorgang zu- und abgeschaltet werden kann. Die hierzu erforderliche "Intelligenz" der Steuerung ist in Digitaltechnik leicht realisierbar.

Die induktive Leistung wird über Drosselspulen erbracht. Diese können entweder geschaltet oder mit einer entspre­ chenden Steuerung in der Grundschwingungsblindleistung auch geregelt werden (TCR, thyristor controlled reactor). Hiermit kann die gesamte, ans Netz abgegebene Blindleistung des statischen Kompensators stufenlos im Rahmen der am Netz­ knotenpunkt erforderlichen kapazitiven oder induktiven Blind­ leistung verstellt werden.

Die kontinuierliche Regelung eines TCR-Zweiges ist immer mit der Erzeugung von harmonischen Strömen verbunden, die durch den Einsatz von Filtern am Anschlußpunkt des TCR vom Über­ tragungsnetz ferngehalten werden müssen. Die Erzeugung von Oberschwingungen kann nur dadurch völlig ausgeschlossen werden, daß der induktive Zweig gleich wie der kapazitive Zweig geschaltet betrieben wird (TSR, thyristor switched reactor). Die installierte induktive Blindleistung wird dann ebenfalls nur zu- oder abgeschaltet.

Neben den Komponenten wie Transformator, Induktivitäten, Kapazitäten und Leistungshalbleiter sind Hoch- und Mittel­ spannungsschaltgeräte, Kühleinrichtungen, Geräte für Steue­ rung, Regelung und Schutz sowie Hilfsenergieversorgung not­ wendig.

Der statische Kompensator kann grundsätzlich verschiedene Regelaufgaben erfüllen. Beim Einsatz in Übertragungsnetzen ist dies primär die Aufgabe der Spannungsregelung. Damit kann der statische Kompensator auch zur Begrenzung von betriebs­ frequenten Überspannungen beitragen, einen Beitrags zur Verbesserung der Netzstabilität liefern und auch Leistungs­ pendelungen zwischen Teilnetzen bedämpfen.

Im Aufsatz "Statische Kompensatoren und ihre Komponenten", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "etz", Band 112 (1991), Heft 17, Seiten 926-930, werden Schaltungsarten, Anwendungs- und Auslegungskriterien der verwendeten Komponenten von statischen Kompensatoren in Thyristortechnik diskutiert. Die dargestellten realisierten statischen Kompensatoren bestehen jeweils aus mehreren Blindleistungsstellern, die mittels eines Transformators an ein Hochspannungsnetz angeschlossen sind. Die Auswahl und die Kombination der verschiedenen Blindleistungsstellern hängt im wesentlichen von den Anforde­ rungen des Netzes ab. Dabei sind die u. a. folgenden Gesichtspunkte zu berücksichtigen: Gesamtkosten des Kompen­ sators, Verlustbewertung, Zuverlässigkeit, Wartungsauf­ wendungen und Erweiterungsmöglichkeiten des Kompensators. Beispielsweise besteht die SVC-Anlage Kemps Creek/Australien aus einer thyristorgeschalteten Drossel (TSR) und zwei geschalteten Kondensatorbänken (TSC). Die drei Phasen jedes dieser Blindleistungssteller sind elektrisch im Dreieck geschaltet, und sind identisch aufgebaut.

In dem Aufsatz "Sounder Sleep for Britain", Sonderdruck aus der DE-Zeitschrift "EV-Report", Heft 4, 1993, Seiten 4-6, ist ein Thyristorventil für drei Phasen dargestellt, daß aus drei identischen Ventilen besteht. Die in diesem Sonderdruck beschriebene SVC-Anlage besteht aus einer thyristorgeschal­ teten Kondensatorbank (TSC), einer thyristorgeregelten Drossel (TCR) und einem Filter zur zusätzlichen Spannungs­ stützung, zur Filterung von unerwünschten harmonischen Frequenzen und zur Verringerung von Netzrückwirkungen. Diese Bestandteile der SVC-Anlage Pelham/England sind jeweils drei­ phasig aufgebaut, wobei die Phasen eines jeden dreiphasigen Blindleistungsstellers identisch aufgebaut sind. D.h., eine thyristorgeschaltete Kondensatorbank (TSC-Zweig) besteht aus einem dreiphasigen Thyristorventil, das in einem Gebäude untergebracht ist, aus sechs elektrischen Durchführungen, aus vielen Kapazitätseinheiten (Kannen) in Reihen- und Parallelschaltung, die in einem Rack im Freien untergebracht sind, wobei die elektrischen Durchführungen die Thyristorventile mit den Kapazitätseinheiten elektrisch leitend verbindet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen drei­ phasigen Blindleistungssteller anzugeben, bei dem sich der Aufwand an Komponenten und damit der Aufwand für den Blind­ leistungssteller erheblich verringert, ohne daß die Funktionsfähigkeit darunter leidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die drei Phasen des dreiphasigen Blindleistungsstellers elektrisch in Stern geschaltet sind, wobei zwei Phasen jeweils aus einem mittels eines Schalters zuschaltbaren Element und eine dritte Phase aus einem Element bestehen, wobei diese Elemente Blindleistung auf- bzw. abgeben.

Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau eines dreiphasigen Blindleistungsstellers wird ein Schalter eingespart. Mit der Einsparung eines Schalters, beispielsweise ein Thyristor­ ventil, werden ebenfalls zwei elektrische Durchführungen eingespart. Da ein dreiphasiger Blindleistungssteller eben­ falls Kühleinrichtungen, Geräte für Steuerung, Regelung und Schutz sowie Hilfsenergieversorgung aufweist, wird bei Einsparung eines Schalters auch bei diesen Komponenten anteilmäßig gespart. Dadurch benötigt ein erfindungsgemäß aufgebauter dreiphasiger Blindleistungssteller weniger Platz, wodurch sich der Platzbedarf einer SVC-Anlage, bestehend aus mehreren erfindungsgemäßen Blindleistungsstellern (TSR-Zweig, TSC-Zweig), erheblich verringert, so daß ein erfindungs­ gemäßer Blindleistungssteller in einem Container unter­ gebracht werden kann. Dadurch erhält man in Abhängigkeit der Leistung einen mobilen Blindleistungssteller bzw. eine mobile SVC-Anlage.

Als blindleistungsabgebendes bzw. -aufnehmendes Element kann eine Kondensatorbank bzw. eine Drosselspule verwendet werden. Wird gleichzeitig als Schalter noch ein Thyristorventil verwendet, so erhält man einen dreiphasigen TSC-Zweig bzw. einen dreiphasigen TSR-Zweig, die gegenüber dem bekannten TSC-Zweig bzw. den TSR-Zweig wesentlich preisgünstiger sind, da nicht nur ein Schalter (Thyristorventil), sondern auch anteilig an Zusatzkomponenten eingespart wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen dreiphasigen Blindleistungsstellers schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Blindleistungsstellers, der als thyristor­ geschaltete Kondensatorbank aufgebaut ist und die

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Blindleistungsstellers, der als thyristor­ geschaltete Drosselspule aufgebaut ist.

Die Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen dreiphasigen Blind­ leistungsstellers, der aus drei Phasen 2, 4 und 6, die elektrisch in Stern geschaltet sind, besteht. Zwei von diesen Phasen 2 und 4 sind identisch aufgebaut. Diese beiden Phasen 2 und 4 enthalten jeweils einen Schalter 8 und ein Element 10, das Blindleistung abgibt. Ein derartiges Element 10 ist eine Kondensatorbank. Die Phase 6 besteht aus einer Konden­ satorbank 10. Zum Schutz der Kondensatorbänke 10 der Phasen 2, 4 und 6 ist jeweils eine Schutzdrossel 12 vorgesehen, wodurch die Einschaltstromsteilheit begrenzt wird. Als Schalter 8 ist beispielsweise ein Thyristorschalter vorge­ sehen, der aus mehreren in Reihe geschalteten, antiprallelen Thyristoren 14 und 16 besteht. Als Schalter 8 kann auch ein abschaltbarer Thyristorschalter oder auch ein mechanischer Leistungsschalter verwendet werden. Die Phasen 2 und 4 dieses Blindleistungsstellers sind somit wie eine Phase eines herkömmlichen geschalteten Kondensators (TSC, thyristor switched capacitor) aufgebaut. Der Aufbau des Zweiges 6 entspricht dem eines mechanisch geschalteten Kondensators (FC, fixed capacitor). Die beiden Thyristorschalter der Phasen 2 und 4 des dreiphasigen Blindleistungsstellers können wie bei einer bekannten Kompensationsanlage (SVC, static var compensator) in einem Ventilhaus 18 untergebracht sein, wobei diese beiden Thyristorschalter 8 übereinander angeordnet werden können. Da bei diesem dreiphasigen Blindleistungs­ steller gegenüber einem eingangs beschriebenen dreiphasigen Blindleistungssteller ein Thyristorventil 8, beispielsweise in der Phase 6 eingespart wird, werden auch zwei elektrische Durchführungen 20 weniger benötigt. Die Kondensatorbänke 10 der Phasen 2, 4 und 6 sind wie bei einem bekannten drei­ phasigen Blindleistungssteller ebenfalls jeweils aus vielen kleinen Kapazitätseinheiten (Kannen) in Reihen- und Parallelschaltung in wenigstens einem Rack aufgebaut. An den Ausgangsklemmen L1, L2 und L3 des dreiphasigen Blind­ leistungsstellers kann ein Transformator angeschlossen werden, der eingangsseitig mit einem Hochspannungsnetz verbunden ist.

Durch das Weglassen eines Schalters 8 besteht der erfindungs­ gemäße Blindleistungssteller aus einer fest zugeschalteten Kondensatorbank 10 (FC) und zwei geschalteten Kondensator­ bänken (TSC), die elektrisch in Stern geschaltet sind. Durch die Kombination bekannter Steller (FC, TSC) zu diesem drei­ phasigen Blindleistungssteller, erhält man einen sehr preis­ werten Blindleistungssteller, wodurch SVC-Anlagen ebenfalls in ihrem Preis reduziert werden können.

Die Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen dreiphasigen Blindlei­ stungsstellers. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 sind hier als Elemente 10 blindleistungsaufnehmende Elemente 22 vorgesehen. Ein derartiges blindleistungsaufnehmendes Element 22 ist eine Drosselspule. Außerdem werden bei der Verwendung von Drosselspulen 22 keine Schutzdrosseln 12 mehr benötigt. Der Aufbau der Phasen 2 und 4 dieses dreiphasigen Blindlei­ stungsstellers entspricht jeweils dem Aufbau einer bekannten thyristorgeschalteten Drosselspule (TSR, thyristor switched reactor). Somit besteht die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen Blindleistungsstellers aus zwei geschalteten Drosselspulen 22 (TSR) und einer fest zuge­ schalteten Drosselspule (FR, fixed reactor), die elektrisch in Stern geschaltet sind.

Wird nun eine SVC-Anlage mit diesen erfindungsgemäßen Blind­ leistungsstellern gemäß den Fig. 1 und 2 aufgebaut, so wird außer der Komponenteneinsparung auch noch viel Platz einge­ spart, so daß eine derartige SVC-Anlage in einem oder mehreren Containern untergebracht werden kann. Durch die Komponenteneinsparung wird eine derartige SVC-Anlage gegenüber einer herkömmlich aufgebauten SVC-Anlage erheblich preisgünstiger.

Durch die Kombination zweier geschalteter Kondensatorbänke (TSC) mit einer fest zugeschalteten Kondensatorbank (FC) bzw. zweier geschalteter Drosselspulen (TSR) mit einer fest zugeschalteten Drosselspule (FR) zu einem dreiphasigen Blindleistungssteller wird die Funktionsfähigkeit dieses Blindleistungsstellers nicht in irgendeinerweise beeinflußt, so daß keine Einschränkungen im Betrieb dieses Stellers bzw. einer mit diesen Stellern aufgebaute SVC-Anlage in Kauf genommen werden muß.

Claims (7)

1. Dreiphasiger Blindleistungssteller für einen statischen Kompensator, wobei seine drei Phasen (2, 4, 6) elektrisch in Stern geschaltet sind, wobei zwei Phasen (2, 4) jeweils aus einem mittels eines Schalters (8) zuschaltbaren Element (10, 23) und eine dritte Phase (6) aus einem Element (10, 22) bestehen, wobei diese Elemente (10, 22) Blindleistung auf- bzw. abgeben.

2. Dreiphasiger Blindleistungssteller nach Anspruch 1, wobei als Element (10) eine Kondensatorbank vorgesehen ist.

3. Dreiphasiger Blindleistungssteller nach Anspruch 1, wobei als Element (22) eine Drosselspule vorgesehen ist.

4. Dreiphasiger Blindleistungssteller nach Anspruch 1, wobei als Schalter (8) ein Thyristorschalter vorgesehen ist.

5. Dreiphasiger Blindleistungssteller nach Anspruch 1, wobei als Schalter (8) ein abschaltbarer Thyristorschalter vorge­ sehen ist.

6. Dreiphasiger Blindleistungssteller nach Anspruch 1, wobei als Schalter (8) ein mechanischer Leistungsschalter vorge­ sehen ist.

7. Dreiphasiger Blindleistungssteller nach Anspruch 1 und 2, wobei in jeder Phase (2, 4, 6) eine Schutzdrossel (12) ange­ ordnet ist.