Vorrichtung zur kontinuierlichen Steuerung des Phasenwinkels in elektrischen Energie-Übertragungseinrichtungen

Abstract

 In elektrischen Energie-Übertragungseinrichtungen sind oft Zusammenschaltungen von Hochspannungsleitungen usw. erforderlich. Um negative Rückwirkungen auf das Leitungsnetz und die Generatoren zu vermeiden müssen die Phasenwinkel der zusammenzuschaltenden Wechselspannungen übereinstimmen. Zu diesem Zweck wurden bisher in praxi vorwiegend kapazitive oder induktive Blindleistungen zugeschaltet.
Durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens lassen sich derartige Kompensationen kontinuierlich durchführen, was die Betriebssicherheit beträchtlich erhöht. Hierzu wird auf eine Hochspannungsleitung (HL) über einen Zusatztransformator (ZT) eine Zusatzspannung (UZ) induktiv addiert. Die Zusatzspannung (UZ) setzt sich zusammen aus einer von einem Erregertransformator (ET) stammenden Spannung (UK) = konstant und einer über eine kontinuierlich einstellbare in ihrer Phasenlage veränderliche, gesteuerte oder geregelte Spannung (UV) aus einer Spannungsquelle (1).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Steuerung des Phasenwinkels in elektrischen Energie-Uebertragungseinrichtungen sowie auf eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

[0002] Beim Zusammenschalten von beispielsweise mehreren Energie-Uebertragungsleitungen ist anzustreben, dass die Phasenwinkel der zusammengeschalteten Wechselspannungen übereinstimmen. Dadurch werden die Uebertragungseigenschaften der Leitung verbessert und Rückwirkungen auf die Generatoren vermindert. Dieses Bestreben wird erschwert, weil der Phasenwinkel einer in einer Uebertragungsleitung eingespeisten Spannung längs dieser Leitung und von der Last am Ende der Leitung, sofern diese kein reiner Widerstand ist, gedreht wird.

[0003] Bei Verbundnetzen werden darum zum Anpassen der Phasenwinkel der Spannung in den verschiedenen Netzteilen sogenannte Quertransformatoren eingesetzt. Der Quertransformator induziert in jedem Leiter der Leitung eine der Eingangsspannung überlagerte Querspannung, deren Phasenwinkel gegenüber dem der Eingangsspannung um 90^o versetzt ist, so dass eine Ausgangsspannung entsteht, deren Phasenwinkel gegenüber dem der Eingangsspannung verschoben ist. - Im weiteren ist ein steuerbarer Phasenschieber mit mindestens zwei in Serie geschalteten reaktiven Impedanzen bekannt (DE-OS 28 53 358). Zwischen den Impedanzen ist ein Abgriff vorgesehen sowie in Serie dazu mindestens ein elektrisch gesteuerter Stromschalter, vorzugsweise ein bidirektionaler Thyristor. Dieser Phasenschieber ermöglicht eine Drehung des Phasenwinkels der abgegriffenen Spannung in kleinen Schritten, in beiden möglichen Richtungen. Die Drehung des Phasenwinkels wird durch die Blindleistung in den reaktiven Impedanzen erzeugt, weshalb der Betrag dieser Drehung die erforderliche Nennleistung der Impedanzen bestimmt. Dabei erreicht die Nennleistung für eine Drehung um 600 etwa einen Viertel der Durchgangsleistung. Der beschriebene Phasenschieber ist daher trotz seiner technischen Vorteile aus wirtschaftlichen Gründen für Energie-Uebertragungsleitungen nur beschränkt verwendbar.

[0004] Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit welchen der Phasenwinkel der Sekundärspannungen wahlweise in einer und/oder in sämtlichen Richtungen (längs, schräg, quer) über einen grossen Winkelbereich verschoben werden kann. Diese Verschiebung soll eine wirtschaftliche Realisation ermöglichen und nicht durch eine Blindleistung erfolgen.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass wenigstens eine kontinuierlich einstellbare Spannungsquelle mit einer Zusatzspannung mit einem gewählten Phasenwinkel induktiv zur Eingangsspannung addiert wird.

[0006] Daraus resultiert eine vektorielle Addition zweier Spannungen, welche für jede Phase getrennt gesteuert oder geregelt werden kann.

[0007] Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist eine kontinuierlich einstellbare Spannungsquelle auf, welche über eine Gleichrichterschaltung mit einer Zusatzspannungsquelle verbunden ist.

[0008] Durch das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung, lassen sich Energiesysteme auch bei stark ändernder Blindleistungsbelastung stetig kompensieren.

[0009] In den nachfolgenden Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.

[0010] Durch einen selbstgeführten Wechselrichter nach Anspruch 3 lassen sich in einfacher Weise beliebig gewählte Phasenwinkel einstellen.

[0011] Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist besonders wirtschaftlich.

[0012] Eine Ausführungsform nach Anspruch 5 lässt eine Reduktion des steuerungstechnischen Aufwandes zu.

[0013] Die Weiterbildung gemäss Anspruch 6 erlaubt eine nochmalige Verringerung des steuerungstechnischen Aufwandes, da der kontinuierlich zu steuernde oder zu regelnde Bereich nahezu beliebig klein gewählt werden kann.

[0014] Nachfolgend werden anhand von schematischen Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben;es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip der vektoriellen Addition einer Zusatzspannung zur Eingangsspannung in beliebiger Richtung.

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Schaltungsanordnung zur vektoriellen Addition einer Kompensationsspannung in einer Phase eines Leitungsnetzes.

Fig. 3 eine Variante zur Schaltungsanordnung nach Fig. 2 mit einer Gleichrichter-Brückenschaltung;

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung für ein Dreiphasen-System mit einer vektoriellen Addition in Querrichtung zur Eingangsspannung;

Fig. 5 eine weitere Schaltungsanordnung mit einer, nach einer Potenzreihe abgestuften Sekundärwicklung eines Erregertransformators;

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur umschaltbaren wahlweisen vektoriellen Addition in den Richtungen längs, quer und schräg;

Fig. 7 ein beispielsweises Zeigerdiagramm resultierend aus der Schaltungsanordnung Fig. 6.

[0015] Gemäss Fig. 1 ist die Eingangsspannung einer Hochspannungsleitung mit U bezeichnet. Die Phasenlage dieser Eingangsspannung U weist einen Phasenwinkel φ auf, der aufgrund verschiedener an der Hochspannungsleitung anliegender Lasten in einem bestimmten Zeitintervall voreilend (kapazitive Last) oder nacheilend (induktive Last) ist. Durch eine induktive Zuschaltung einer Zusatzspannung UZ mit einem Phasenwinkel ß' entsteht eine Phasendrehung um Δφ . Die resultierende Ausgangsspannung ist mit U' bezeichnet; Strom und Spannung befinden sich zueinenander in einem gewünschten Verhältnis.

[0016] In einer Schaltungsanordnung, Fig. 2, ist die Hochspannungsleitung HL symbolisiert mit ihrer Eingangsspannung U und ihrer Ausgangsspannung U' dargestellt. Die Spannungen U bzw. U' werden an der Sekundärseite eines Zusatztransformators ZT gemessen. Die Sekundärwicklung des Zusatztransformators ZT führt eine Zusatzspannung UZ, welche einerseits durch einen Erregertransformator ET und andererseits durch eine Spannungsquelle 1 entstanden ist. Die Spannungsquelle 1 wird gebildet aus einer Zusatzspannungsquelle 3, einer nachgeschalteten Gleichrichterschaltung 2 und einer Leistungselektronik LE. Der Leistungselektronik ist ein Mess/Steuersignal S zugeführt.

[0017] Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung beruht darauf, dass induktiv, über den Zusatztransformator ZT zur Eingangsspannung U eine Zusatzspannung UZ addiert wird, woraus die Ausgangsspannung U' resultiert. Dabei wird über einen Erregertransformator ET eine, um einen festen Phasenwinkel gegenüber der Spannung U verschobene konstante Wechselspannung UK sowie eine dazu in Serie geschaltete variable Wechselspannung UV zugeschaltet. Die Wechselspannung UV wird in ihrer Phasenlage und in ihrer Amplitude durch das Mess/-Steuersignäl S variiert. Hierzu dient ein selbsgeführter Wechselrichter, welcher sich in an sich bekannter Weise aus der Zusatzspannungsquelle 3, einer Gleichrichterschaltung 2 und einer Leistungselektronik LE zusammensetzt.

[0018] Der Vorteil einer derartigen Schaltungsanordnung besteht darin, dass nur die momentane Phasenwinkelsänderung Ae gesteuert oder geregelt werden muss. Ueber grössere Zeitintervalle anliegende Blindleistungen können durch den Erregertransformator ET mit seiner konstanten Wechselspannung UK wenigstens annähernd kompensiert werden.

[0019] Die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 weist wiederum einen Erregertransformator ET auf, an welchem primärseitig eine Eingangsspannung UK_O anliegt. Die Ausgangsspannung UK am Transformator ET ist zu einer Brückenschaltung mit antiparallel geschalteten Thyristoren 4 - 7' geführt. In dieser Brückenschaltung erfolgt eine Kommutierung eines darin gebildeten Zusatzstroms IZ, welcher durch die Primärwicklung eines Zusatztransformators ZT fliesst. Durch die Sekundärwicklung des Zusatztransformators ZT fliesst der Strom I einer Hochspannungsleitung HL, welche eine Eingangsspannung U aufweist. Durch die induktive Addition der Zusatzspannung UZ stellt sich die Hochspannungsleitung HL auf eine in Phase und Amplitude kompensierte Spannung U' ein. Der Transformator ZT ist gegensinnig gewickelt, was wie auch in den nachfolgenden Zeichnungen durch Punkte an den Primär- und Sekundärwicklungen symbolisiert ist.

[0020] Die Thyristoren 4-7' weisen je einen an sich bekannten eigenen Löschkreis auf und erlauben eine kontinuierliche Einstellung der Zusatzspannung UZ für beliebige Phasenwinkel zwischen der Ausgangsspannung UK des Transformators ET und dem Zusatzstrom IZ.

[0021] Als Variante hierzu kann auch nur ein einziges Paar antiparallelgeschalteter Thyristoren 4,4' mit eigenem Löschkreis vorgesehen werden, während die übrigen Thyristoren 5-7' im Nulldurchgang des Stromes löschen.

[0022] Als weitere Variante kann bei sämtlichen Thyristoren auf die Löscheinrichtungen verzichtet werden; die Stromübergabe erfolgt hierbei durch natürliche Kommutierung.

[0023] In einem Dreiphasen-System, Fig. 4, weist eine Hochspannungsleitung HL die Phasen R,S,T auf. Zwischen diesen Phasen ist ein Erregertransformator ET in Dreieck geschaltet, so dass eine Addition der Spannungszeiger in Querrichtung erfolgen kann. Die kompensierten Phasen sind mit R',S',T bezeichnet.

[0024] Hierzu werden durch Strommesser 8-10 die Phasenströme IR, IS, IT und durch zwischen die Phasen geschaltete Spannungsmesser die Spannungen UST und URS bestimmt. Die resultierenden Signale S1 (IR,IS,IT) und S2 (UST,URS) steuern eine vorgängig beschriebene Leistungselektronik LE mit Thyristor-Brückenschaltungen. Eingangsseitig ist die Leistungselektronik, für die Spannung UER dargestellt, mit einer Stufenwicklung der Sekundärseite des Erregertransformators ET verbunden. Am Ausgang der Leistungselektronik LE stellen sich eine Zusatzspannung UZR und ein Zusatzstrom IZ ein, welche wie vorgängig beschrieben, hier ebenfalls durch induktive Addition im Zusatztransformator ZT eine kompensierte Phasenspannung UR' erzielen.

[0025] Die übrigen Phasen werden in derselben Weise kompensiert. Die sekundärseitige Abstufung der Wicklung im Erregertransformator ET erlaubt durch geeignetes Zusammenschalten den erforderlichen Steuerungs- bzw. Regelungshub in der Leistungselektronik LE zu reduzieren.

[0026] Die Schaltungsanordnung nach Fig. 5 zeigt einen Erregertransformator ET, welcher auf seiner Sekundärseite eine nach einer Potenzreihe (3ⁿ) abgestufte Sekundärwicklung (engl. Vernier Winding) aufweist.

[0027] Die Brückenschaltungen 14 - 16 weisen wiederum antiparallel geschaltete Thyristoren auf und werden durch die Spannungen UK1 - UK3 gespeist. Durch geeignetes Zusammenschalten - mit positiver und negativer Phasenlage, je nach Wicklungssinn - lässt sich der erforderliche Steuerungsbereich in der Thyristor-Brückenschaltung 13 mit Löschkreisen, gespeist durch die Wechselspannung UV, sehr klein halten. Dies ermöglicht eine sehr kostengünstige Lösung; die Zusatzspannung UZ bzw. der Zusatzstrom IZ lassen sich optimal den Betriebsbedingungen von Energie-Uebertragungseinrichtungen anpassen.

[0028] Eine Schaltungsanordnung zur wahlweise beliebigen Addition von Spannungen in Längs-, Schräg-, Querrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Dabei weist der Erregertransformator ET wiederum - nach einer Potenzreihe - abgestufte Sekundärwicklungen auf. Diese sind jedoch für jede Phase R,S,T 2-fach ausgeführt und lassen dementsprechend in der nachfolgenden Leistungselektronik LE ein wahlweises Zusammenschalten in beliebigen Zeigerlagen zu.

[0029] Die Ausgestaltung der Leistungselektronik LE, bezeichnet mit den Untergruppen L = längs, Q = quer, erfolgt mittels sogenannter Serie- und Paralleltriacs und ist an sich bekannt (DE-OS 26 34 742). Die Regelgrössen der Phasen sind mit x,y,z bezeichnet; die kontinuierliche Regelung erfolgt in der vorerwähnten Weise.

[0030] Das Zeigerdiagramm Fig. 7 illustriert die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung Fig. 6. Die Zeiger und deren Kompensationsgrössen sind entsprechend ihren Phasenbezeichnungen und Regelgrössen dargestellt.

[0031] Die Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten zur Steuerung und Regelung des Phasenwinkels in elektrischen Energie-Uebertragungseinrichtungen mittels einer Schaltungsanordnung gemäss Fig. 6 muss entsprechend den Betriebsbedingungen optimalisiert werden. Hierzu wird mit Vorteil ein Prozess-Rechnereingesetzt. ,

[0032] Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die Vorrichtung zu dessen Durchführung sind besonders wirtschaftlich, da auch bei beliebiger Phasenlage der Zusatzspannung jeweils nur ein einziger Zusatztransformator an die Hochspannungsleitung eingeschaltet wird.

Ansprüche

1. Verfahren zur kontinuierlichen Steuerung des Phasenwinkels (¢ ) in elektrischen Energie-Uebertragungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnete dass wenigstens eine kontinuierlich einstellbare Spannungsquelle (1) mit einer Zusatzspannung (UZ) mit einem gewählten Phasenwinkel (φ') induktiv zur Eingangsspannung (U) addiert wird. (Fig. 1, Fig. 2)

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlich einstellbare Spannungsquelle (1) eine Gleichrichterschaltung (2) mit einer Zusatzspannungsquelle (3) aufweist. (Fig. 2)

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichterschaltung (2) ein selbstgeführter Wechselrichter (LE) nachgeschaltet ist. (Fig. 2)

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung eine Brückenschaltung (4-7') mit antiparallel geschalteten Thyristoren ist. (Fig. 3)

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (1) einen an der Eingangsspannung (U) angeschlossenen Erregertransformator (ET) aufweist, dessen Sekundärwicklung fein abgestuft ist. (Fig. 4)

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung des Erregertransformators nach einer Potenzreihe abgestuft ist. (Fig. 5)

Zeichnung