DE4446864A1 - Abschaltverfahren für einen dreiphasigen Blindleistungssteller mit zwei Thyristorschaltern - Google Patents
Abschaltverfahren für einen dreiphasigen Blindleistungssteller mit zwei ThyristorschalternInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abschaltverfahren für
einen dreiphasigen Blindleistungssteller eines statischen
Kompensators, der zwei Thyristorventile und drei
Kondensatoren aufweist.
Die Netze der elektrischen Energieversorgung dienen in erster
Linie der Übertragung von Wirkleistung. Erzeugte und ver
brauchte Leistung müssen immer ausgeglichen sein, sonst kommt
es zu Frequenzänderungen. Ebenso wie die Wirkleistungsbilanz
muß auch die Blindleistungsbilanz stets so ausgeglichen sein,
daß sich tragbare Spannungsverhältnisse im Netz ergeben. Die
Blindleitung ist vor allem für das Spannungsniveau verant
wortlich. 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 Normalbe
triebs 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 Span
nungsänderungen im Netz zur Folge, die insbesondere bei nie
driger Netzkurzschlußleistung sehr groß sein können.
Aufgrund steigenden Eigenbedarfs und begrenzten Netzaus
baumöglichkeiten werden die Energieübertragungsnetze immer
intensiver genutzt. Blindleistungsflüsse im Netz sind Haupt
verursacher für Spannungsabfälle und zusätzliche Netzverlu
ste. Durch gezielten Einsatz von Blindleistungsmitteln, wie
Kondensatoren und Spulen, können eine ausgeglichene Blindlei
stungsbilanz sowie damit die Auswirkung auf Netzspannung und
Netzverluste reduziert werden. Die unterschiedlichen dynami
schen Anforderungen können mit schaltbaren oder regelbaren
Blindleistungselementen abgedeckt werden. Eine kontinuierli
che und dynamische Änderung ist jedoch praktisch nur mit
Stromrichterschaltungen möglich. Statische Kompensatoren in
Thyristortechnik stellen die derzeit wirtschaftlichste 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 Tertiärwick
lung eines Netztransformators an das Hochspannungsnetz ange
schlossen werden. Der Einsatz eines eigenen Transformators
bietet durch die Festlegung der Nennspannung auf der Sekun
därseite die Möglichkeit, die Betriebsmittel optimal bezüg
lich ihrer Strom- und Spannungsbeanspruchung auszulegen. In
Mittelspannungsnetzen bis 30 kV kann auch ein direkter An
schluß wirtschaftlich sein.
Die kapazitive Leistung wird über fest angeschlossene Konden
satoren, auch als Fixed Capacitor (FC) bezeichnet, oder ge
schaltete Kondensatoren, auch als Thyristor Switched Capaci
tor (TSC) bezeichnet, erbracht. In dieser Anwendung wird nor
malerweise hierzu ein Thyristorschalter verwendet, der aus
mehreren in Reihe geschalteten, antiparallelen Thyristoren
besteht. Der Kondensator muß dann mit einer Schutzdrossel
versehen werden, um die Einschaltstromsteilheit zu begrenzen.
Der Einsatz mechanisch geschalteter Kondensatoren unterliegt
betrieblichen Einschränkungen. Um Ausgleichsvorgänge beim
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 Ladezustand 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. Die
se können entweder geschaltet oder mit einer entsprechenden
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 Netzknotenpunkt
erforderlichen kapazitiven oder induktiven Blindleistung ver
stellt 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 Übertra
gungsnetz ferngehalten werden müssen. Die Erzeugung von Ober
schwingungen kann nur dadurch völlig ausgeschlossen werden,
daß der induktive Zweig gleich wie der kapazitive Zweig ge
schaltet betrieben wird (TSR, Thyristor Switched Reactor).
Die installierte induktive Blindleistung wird dann ebenfalls
nur zu- oder abgeschaltet.
Neben den Komponenten wie Transformator, Induktivitäten, Ka
pazitäten und Leistungshalbleiter sind Hoch- und Mittelspan
nungsschaltgeräte, Kühleinrichtungen, Geräte für Steuerung,
Regelung und Schutz sowie Hilfsenergieversorgung notwendig.
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 Beitrag zur Ver
besserung der Netzstabilität liefern und auch Leistungspen
delungen zwischen Teilnetzen bedämpfen.
In dem Aufsatz "Stromrichter für statische Blindstrom-Kompen
satoren", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Siemens-Energie
technik", Band 3, Heft 11-12, 1981, Seiten 353 bis 357, ist
eine SVC-Anlage, bestehend aus einer thyristorgeschalteten
Kondensatorbank (TSC) und einer thyristorgeregelten Drossel
(TCR), beschrieben. Diese Blindleistungssteller der SVC-An
lage sind jeweils dreiphasig aufgebaut, wobei die Phasen
eines jeden dreiphasigen Blindleistungsstellers identisch
aufgebaut sind. D.h., eine thyristorgeschaltete Kondensator
bank (TSC-Zweig) besteht aus einem dreiphasigen Thyristorven
til, das in einem Ventilgestell untergebracht ist und aus
vielen Kapazitätseinheiten (Kannen) in Reihen- und Parallel
schaltung, die in einem Rack untergebracht sind. Außerdem ist
ein Ansteuer- und Überwachungssystem dargestellt und be
schrieben.
Aus einer älteren nationalen Anmeldung mit dem amtlichen Ak
tenzeichen P 44 23 033.8 ist ein dreiphasiger Blindleistungs
steller bekannt, wobei zwei Phasen jeweils aus einem mittels
eines Thyristorventils zuschaltbaren Kondensator und eine
dritte Phase aus einem Kondensator bestehen.
Durch diesen Aufbau eines dreiphasigen Blindleistungsstellers
wird ein Thyristorventil eingespart. Da ein dreiphasiger
Blindleistungssteller ebenfalls Kühleinrichtungen, Geräte für
Steuerung, Regelung und Schutz sowie Hilfsenergieversorgung
aufweist, wird bei Einsparung eines Thyristorventils auch bei
diesen Komponenten anteilmäßig gespart. Dadurch benötigt ein
derartig aufgebauter dreiphasiger Blindleistungssteller weni
ger Platz, wodurch sich der Platzbedarf einer SVC-Anlage, be
stehend aus mehreren derartigen Blindleistungsstellern (TSR-
Zweig, TSC-Zweig), erheblich verringert, so daß ein derarti
ger Blindleistungssteller beispielsweise in einem Container
untergebracht werden kann, wodurch man in Abhängigkeit der
Leistung einen mobilen Blindleistungssteller bzw. eine mobile
SVC-Anlage erhält.
Bei diesem dreiphasigen Blindleistungssteller werden die bei
den Thyristorventile beim Löschen mit einer höheren Spannung
belastet als sie bei herkömmlichen, in allen drei Phasen
gleich aufgebauten Blindleistungsstellern, auftritt. Diese
Spannung ist eine Mischspannung, die sich aus einer Gleich-
und einer Wechselspannung zusammensetzt. Somit wird ein Teil
der Einsparung (ein Thyristorventil mit zugehörigen Kompo
nenten der Anlage) des Blindleistungsstellers durch einen
aufwendigeren Aufbau der restlichen Thyristorventile wieder
eliminiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Abschalt
verfahren für einen derartigen dreiphasigen Blindleistungs
steller anzugeben, wodurch sich die Spannungsbelastung am
erstlöschenden Thyristorventil des Blindleistungsstellers
erheblich verringert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Zündsignale dieser beiden Thyristorventile derart zu einem
Zeitpunkt unterbrochen werden, daß das bei unmittelbar auf
einanderfolgenden Phasen im Drehrichtungssinn des Drei
phasensystems an zweiter Stelle genannte Thyristorventil
zuerst gelöscht wird. Durch diese festgelegte Steuerung der
Abschaltreihenfolge wird die Spannungsbelastung am erst
löschenden Thyristorventil erheblich reduziert. Die Span
nungsbelastung am zweitlöschenden Thyristorventil verändert
sich dadurch nicht.
Bei einem vorteilhaften Verfahren wird ein Zeitfenster be
stimmt, in dem der Zeitpunkt für die Unterdrückung der Zünd
signale für die beiden Thyristorventile beliebig liegt. Die
ses Zeitfenster beginnt bei einem Nulldurchgang eines Ventil
stromes des zweitlöschenden Thyristorventils und endet am
Nulldurchgang eines zeitlich nächstfolgenden Ventilstromes.
Beim Vorliegen eines Abschaltsignals einer übergeordneten
Regelung innerhalb dieses angegebenen Fensters löschen die
Thyristorventile in der vorbestimmten Reihenfolge. Außerhalb
dieses Zeitfensters werden bei Vorliegen eines Abschalt
signals einer übergeordneten Regelung des statischen Kompen
sators die Zündsignale für die beiden Thyristorventile nicht
unterdrückt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele eines ein
gangs genannten dreiphasigen Blindleistungsstellers schema
tisch veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines bekannten
Blindleistungsstellers, der als thyristorgeschaltete
Kondensatorbank aufgebaut ist, die
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des bekannten
Blindleistungsstellers, die
Fig. 3 zeigt in mehreren Diagrammen die zeitlichen Verläufe
der Signale der Ausführungsform nach Fig. 1 ohne
das erfindungsgemäße Verfahren, wobei in der
Fig. 4 die zeitlichen Verläufe bei Verwendung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens darstellt sind, die
Fig. 5 zeigt die zeitlichen Verläufe der Signale der Aus
führungsform nach Fig. 2 ohne die Verwendung des
erfindungsgemäßen Abschaltverfahrens, wobei die
Fig. 6 diese Signale bei Verwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt.
Die Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines dreiphasigen
Blindleistungsstellers 2 einer nicht näher dargestellten sta
tischen Blindleistungs-Kompensationsanlage an einem Dreh
stromnetz. Dieser Blindleistungssteller 2 ist aus der natio
nalen älteren Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
P 44 23 033.8 bekannt. Dieser Blindleistungssteller 2 weist
nur in den Phasen R und S jeweils einen Leistungsschalter 4
und 6, beispielsweise ein Thyristorventil, auf. Außerdem sind
drei Kondensatoren 8 vorgesehen, die elektrisch in Dreieck
geschaltet sind und mittels der Phasenleiter R, S und T mit
den Phasen R, S und T des Drehstromnetzes verbunden sind. Ein
derartig aufgebauter Blindleistungssteller 2 wird auch als
thyristorgeschalteter Kondensator TSC (Thyristor Switched
Capacitor) bezeichnet. Die Thyristorventile 4 und 6 bestehen
jeweils aus zwei antiparallelen Thyristorsäulen mit Beschal
tungselementen und einer Thyristorelektronik. Der genaue Auf
bau derartiger Thyristorventile ist allgemein bekannt und
beispielhaft in dem eingangs genannten Aufsatz "Stromrichter
für statische Blindstrom-Kompensatoren" dargestellt und be
schrieben. Die in diesem Ersatzschaltbild bezeichneten Si
gnale: Ventilstrom iThR, iThs; Kondensatorspannung uCRS,
uCST, uCTR und Ventilspannung uVR, uVS sind in der Fig. 3
bzw. 4 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt,
wobei in der Fig. 3 der bisherige Abschaltvorgang und in der
Fig. 4 die Abschaltung des TSCs unter Berücksichtigung des
erfindungsgemäßen Abschaltverfahrens dargestellt sind.
Beim bisherigen Abschalten des Blindleistungsstellers 2 ver
anlaßt ein Abschaltsignal einer übergeordneten Regelung der
statischen Blindleistungs-Kompensations-Anlage die Unterdrüc
kung der Steuersignale der Thyristorventile 4 und 6, so daß
diese Thyristorventile 4 und 6 beim Stromnulldurchgang erlö
schen. Dabei wird nicht darauf geachtet, welches Thyristor
ventil 4 oder 6 zuerst löscht. Den dargestellten Signalver
läufen der Ventilströme iThR und iThs der Fig. 3 ist zu ent
nehmen, daß das Abschaltsignal der übergeordneten Anlagen-
Regelung im Zeitfenster tF generiert worden ist, da der Ven
tilstrom iThR beim Zeitpunkt tRn erlischt. Das Zeitfenster tF
ist durch die Stromnulldurchgänge der Phasen bzw. Ventilströ
me zu den Zeitpunkten tSp und tRn in diesem Beispiel willkür
lich bestimmt. Das heißt, daß, wenn das Abschaltsignal nach
einem beliebigen Strom-Nulldurchgang von der Anlagen-Regelung
generiert wird, der Ventilstrom zuerst löscht, der den näch
sten Stromnulldurchgang hat. Dadurch ist entweder die Phase R
oder die Phase S zuerst löschend. In der Fig. 3 sind außer
dem die zugehörigen Kondensatorspannungen uCRS, uCST, uCTR
und die Ventilspannungen uVR und uVS dargestellt. Diesen Dia
grammen kann entnommen werden, daß die Kondensatorspannungen
uCRS, uCST und uCTR unterschiedliche Amplituden aufweisen und
daß die Ventilspannungen uVR und uVS jeweils eine Mischspan
nung, bestehend aus einer Gleich- und Wechselspannung, sind.
Bei diesem dargestellten Fall, wobei zufällig die Phase R
erstlöschend ist, tritt eine maximale Spannung am Thyristor
ventil 4 von 2,366 pu auf, wobei ein pu gleich der Leiter-
Leiter-Spannung des Drehstromnetzes ist. Die maximale Span
nung am Thyristorventil 6 ist gleich 2,0 pu. Da bei der her
kömmlichen Abschaltung die Abschaltreihenfolge der Thyristor
ventile 4 und 6 nicht festgelegt wird, müssen diese Ventile 4
und 6 auf die maximale auftretende Ventilspannung von
2,366 pu ausgelegt werden.
Wird das erfindungsgemäße Abschaltverfahren verwendet, so
werden die Zündsignale der Thyristorventile 4 und 6 derartig
zu einem Zeitpunkt tA unterdrückt, daß das im Drehrichtungs
system des Dreiphasensystems an zweiter Stelle genannte Thy
ristorventil 6 zuerst löscht. Das heißt, das Abschaltsignal
der Anlagen-Regelung führt nicht sofort zur Unterdrückung der
Zündsignale der Thyristorventile 4 und 6, sondern es wird zu
nächst überprüft, welcher Stromnulldurchgang anliegt. Es wird
also ermittelt, welches Zeitfenster tF anliegt. Damit das
Thyristorventil 6 der Phase S erstlöschend ist, dürfen die
Zündsignale für die Thyristorventile 4 und 6 nur in bestimm
ten Zeitfenstern tF unterdrückt werden. Im dargestellten Bei
spiel gemäß Fig. 4 muß das Abschaltsignal der Anlagen-Rege
lung im Zeitfenster tF, gekennzeichnet durch den Anfangszeit
punkt tRp und durch den Endzeitpunkt tSp, beispielsweise zum
Zeitpunkt tA generiert worden sein. Dadurch erlischt der Ven
tilstrom iThs als erster. Die zugehörigen Kondensatorspannun
gen uCRS, uCST und uCTR sind außerdem dargestellt, die wie
beim herkömmlichen Verfahren ebenfalls unterschiedliche Am
plituden aufweisen. Dadurch, daß eine Abschaltreihenfolge be
achtet wird, ergeben sich andere Ventilspannungsverläufe uVR
und uVS, die immer noch einen Gleich- und einen Wechselspan
nungsanteil aufweisen und deren maximaler Momentanwert sich
erheblich verringert hat. Die maximale Amplitude am
Thyristorventil 6 (erstlöschend) beträgt 1,366 pu und die
maximale Amplitude am Thyristorventil 4 (Phase R) beträgt 2,0
pu. Somit tritt nur noch eine maximale Spannung von 2,0 pu
auf, für die die Thyristorventile 4 und 6 maximal ausgelegt
werden müssen.
Die Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild einer zweiten Ausfüh
rungsform des dreiphasigen Blindleistungsstellers 2 einer
statischen Blindleistungs-Kompensations-Anlage SVC (Static
Var Compensator). Bei dieser Ausführungsform sind die Konden
satoren 8 elektrisch in Stern geschaltet und die Thyristor
ventile 4 und 6 sind ebenfalls in den Phasen R und S angeord
net, damit ein Vergleich zur ersten Ausführungsform besteht.
Die zugehörigen Signalverläufe sind in den Fig. 5 und 6
dargestellt, wobei die Fig. 5 die Signalverläufe bei einem
herkömmlichen Abschaltvorgang und die Fig. 6 diese Signal
verläufe bei einem Abschaltvorgang unter Verwendung der fest
gelegten Abschaltreihenfolge darstellen. Auch bei dieser Aus
führungsform des Blindleistungsstellers 2 erhält man die
gleichen maximalen Spannungsbelastungen der Thyristorventile
4 und 6. Die maximale Spannung am Thyristorventil 6 (erstlö
schend) beträgt 1,366 pu und am zweitlöschenden Ventil 4
2,0 pu.
Mit dem erfindungsgemäßen Abschaltverfahren, wodurch eine
vorbestimmte Abschaltreihenfolge eingehalten wird, tritt
stets als maximale Ventilspannung eine Spannung von 2,0 pu
auf, unabhängig davon, ob die Kondensatoren 8 des Blindlei
stungsstellers 2 elektrisch in Dreieck oder in Stern geschal
tet sind.
Sind die Thyristorventile 4 und 6 in den Phasen S und T bzw.
T und R angeordnet, so wird gemäß dem erfindungsgemäßen Ab
schaltverfahren das Thyristorventil in der Phase T vor der
Phase S bzw. in der Phase R vor der Phase T zuerst gelöscht.
Claims (2)
1. Abschaltverfahren für einen dreiphasigen Blindleistungs
steller (2) einer statischen Blindleistungs-Kompensations-
Anlage, der zwei Thyristorventile (4, 6) und drei Konden
satoren (8) aufweist, wobei die Zündsignale dieser beiden
Thyristorventile (4, 6) derart zu einem Zeitpunkt (tA)
unterdrückt werden, daß das bei unmittelbar auf einander
folgenden Phasen (R, S; S, T; T, R) im Drehrichtungssinn des
Dreiphasensystems an zweiter Stelle genannte Thyristorventil
(6) zuerst löscht.
2. Abschaltverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Zeitfenster
(tF), in dem der Zeitpunkt (tA) beliebig liegt, gebildet
wird, das bei einem Nulldurchgang (tRp) eines Ventilstromes
(iThR) des zweitlöschenden Thyristorventils (4) beginnt und
am Nulldurchgang (tSp) des Ventilstromes (iThs) des erstlö
schenden Thyristorventils (6) des Blindleistungsstellers (2)
endet.
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D2 | Grant after examination | ||
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