Anordnung zur Verbesserung der Stabilität von Gleichstromkraftübertragungsanlagen.- Die Erfindung bezieht sich auf Kraft übertragungsanlagen, die mit hochgespann tem Gleichstrom arbeiten, und in denen der über eine Fernleitung fliessende Gleichstrom durch einen Kontaktwechselrichter in Dreh strom umgeformt wird. Der Betrieb solcher Anlagen bereitet Schwierigkeiten hinsicht lich der Stabilität, und zwar sind diese Schwierigkeiten zu einem erheblichen Teil dadurch bedingt, dass der Wechselrichter sehr empfindlich auf Änderungen der Syn chronlage der Kontaktbewegung gegenüber der Phasenlage der auf ihn einwirkenden Wechselspannung ist. Die Wechselspannung ist für den Betrieb des.
Wechselrichters näm lich eine sehr wichtige Grösse, da sie als so genannte Wendespannung den Übergang der Stromführung von der einen Phase zur Folgephase veranlasst. Störungen in der ge genseitigen Phasenbeziehung zwischen der Synchronlage der Kontakte und der Wende spannung können auftreten, wenn bei Span- nungsschwankungen der Antriebsmotor der Kontakte Winkeländerungen bezüglich sei ner Synchronlage erleidet, oder wenn Un- symmetrien im Drehstromnetz auftreten. Solche Erscheinungen sind aber in einem ausgedehnten Drehstromnetz praktisch nie zu vermeiden.
Auch auf der Seite des Gleich richterteils wirken sich solche Erscheinungen nachteilig aus.
Die Erfindung vermeidet diese Schwierig keiten dadurch, dass auf der Wechselrichter seite, auf der der Spannungsvektor des Dreh stromnetzes durch eine taktgebende Synchron maschine bestimmt wird, diese Synchron maschine gleichzeitig auch zum Antrieb der Wechselrichterkontakte dient. Zweckmässig wird die analoge Massnahme auch auf der Gleichrichterseite ergriffen, das heisst also der Antrieb des Kontaktgleichrichters, der den zu übertragenden Gleichstrom aus dem Drehstrom erzeugt, mit dem speisenden Syn- chrongenerator starr gekuppelt.
Die starre Kupplung kann in beiden Fällen entweder unmittelbar oder über ein Zwischengetriebe erfolgen. Es kommt nur darauf an, dass die Synchronlage der Kontaktbewegung jede Schwankung, die die Synchronlage des Ma schinenläufers erleidet, verzögerungslos mit macht. Eine ungewollte Verschiebung zwi schen der Wendespannung und der Kontakt bewegung kann dann nicht mehr eintreten. Die zur Anpassung der Drehstromspannun- gen an die Gleichspannung der Übertra gungsleitung und für die Umformung der Phasenzahl meist erforderlichen Transforma toren werden zwischen die Maschinenwick lung und die Kontakte des Umformers ge schaltet.
Bei Schaltungen mit in mehrere Spannungsstufen unterteilter Umformung kann an Stelle einer gemeinsamen Maschine oder Maschinengruppe auch für jede Stufe eine besondere Synchronmaschine vorgesehen werden, wobei dann jede Stufe einen beson deren Transformator erhält. Hierbei ist es zweckmässig, zwecks Erzielung einer gerin gen Gleichstromwelligkeit die Generatoren mit gegenseitiger Phasenversetzung zu be treiben, so .dass die Wirkung einer höher- phasigen Schaltung entsteht. Auf der Wech- selrichterseite wird man zur Erzielung einer möglichst hohen Trittgrenze die Transfor matoren streuungsarm ausführen.
Unter "Trittgrenze" ist dabei die höchste Belastung zu verstehen, bei der der Wechselrichter unter den gegebenen Verhältnissen noch ein wandfrei kommutieren kann. Der Kommu- tierungsvorgang muss bekanntlich spätestens im Zeitpunkt der Spannungsgleichheit der einander ablösenden Phasen beendet sein.
Da der Kommutierungsvorgang ausser von der Grösse des zu kommutierenden Stromes auch von der Induktiv itä.t des Kommutierungs- kreises abhängt, so ist bei gegebenem Aus steuerungsgrad die zulässige Belastung also die Trittgrenze - um so höher, je klei ner die Streuung des Transformators ist. Wenn die Spannungsverhältnisse es erlau ben, wie zum Beispiel bei Mehrstufenschal- tungen mit getrennten Generatoren, können hier mit Vorteil Spartransformatoren ver wendet werden.
Die Schwierigkeiten der Stromwendung des Wechselrichters bei Spannungsänderun gen und besonders bei Spannungsunsymme- trien sind zum wesentlichen Teil dadurch bedingt, dass der Kontaktumformer seine Wendespannung entweder allein aus dem gespeisten Netz bezieht oder aus Takt maschinen, die mit dem gespeisten Netz in unmittelbarer oder mittelbarer elektrischer Verbindung stehen, so dass alle Spannungs störungen des gespeisten Netzes in un erwünschter Weise ihren Einfluss auf die Stromwendung ausüben.
Diese trotz der starren Kupplung des Kontaktapparates mit der zugehörigen Wechselstrommaschine noch bestehenden Schwierigkeiten können wesentlich gemildert werden, wenn bei gleichzeitig auch elektrisch möglichst starrer Verbindung zwischen Kon taktapparat und Taktmaschine (kleine Trans formatorstreuung) das gespeiste Drehstrom netz nicht unmittelbar, sondern über Drossel spulen an die Taktmaschine angeschlossen wird. Durch die Drosselspulen wird der Einfluss von Spannungsstörungen im Netz auf die Spannungssymmetrie der Taktma schine gemildert.
Sie können auch gänzlich dadurch überwunden werden, dass das ge speiste Drehstromnetz von der übertragungs- leitung bezw. von dem Kontaktumformer durch Anwendung eines Motorgenerators an Stelle der Taktmaschine elektrisch getrennt wird. Als Motorgenerator kommt dabei vor zugsweise ein solcher in Frage, der aus zwei Synchronmaschinen aufgebaut ist. Eine sol che Anordnung liefert dem Kontaktumfor mer eine stets symmetrische, ungestörte Wendespannung.
Sie hat weiterhin noch den Vorteil, dass die Wechselrichterblindleistung unmittelbar geliefert wird, und dass der Netz blindstrom von dem zum Betrieb des Wech selrichters erforderlichen Blindstrom völlig getrennt ist. Ganz allgemein gesagt bietet sich durch die elektrische Trennung die Möglichkeit, die Übertragungsverhältnisse in der Gleichstromleitung und in dem Dreh- Stromnetz ganz unabhängig voneinander zu regeln. Die gleiche Massnahme kann auch auf der Gleichrichterseite ergriffen werden.
Für den stabilen Betrieb bei gegebener Wendespannung ist es wichtig, dass der Strom nach oben hin mit Rücksicht auf die Trittgrenze des. Wechselrichters begrenzt wird. Die Geschwindigkeit, mit der der Kommutierungsvorgang abläuft, und damit seine Dauer hängt nämlich auch noch von der Höhe der Wechselspannung ab, da ja die Spannungsdifferenz zwischen den ein ander ablösenden Phasen als Wendespan nung wirkt. Eine Überschreitung der Tritt grenze kann daher auch dadurch vermieden werden, dass man diese durch Vergrösserung der Wendespannung erhöht.
Beides kann bei der vorgenannten. Anordnung mit elektri scher Trennung der Netze dadurch erreicht werden, dass die mit dem Kontaktumformer elektrisch verbundene Synchronmaschine eine stromabhängige mittelbare oder unmittel bare Zusatzerregung erhält. Es genügt unter Umständen, wenn nur eine Übertragungs seite in dieser Weise ausgestaltet wird, je doch kann man durch gleichzeitige Zusatz erregung beim Wechselrichter und Zusatz- entregung beim Gleichrichter eine erhöhte Wirksamkeit erzielen.
Die zusätzliche Erre gung bezw. Entregung kann auch vorteil haft mit den an sich bekannten Mitteln der sogenannten Stosserregung bezw. -entregung durchgeführt werden, wodurch es mög lich wird, auch schnellsten Schwankungen der Übertragungsverhältnisse gerecht zu werden.
Zur Stosserregung kann zum Bei spiel ein. im Feldkreis der überdimensionier ten Erregermaschine liegender Widerstand plötzlich kurzgeschlossen werden. Stossentre- gung findet beispielsweise durch Abschalten der Erregung und gleichzeitiges Überbrücken der Erregerwicklung durch einen Wider stand statt.
Es sei an dieser Stelle noch be merkt, dass die geschilderten Massnahmen, nämlich die elektrische Trennung der An lageteile durch Motorgeneratoren und die zusätzliche Maschinenerregung, in analoger Ausgestaltung auch dann Bedeutung haben, wenn es sich um eine Umformung mit in Stufen unterteilter Gesamtspannung han delt.
Es können an Stelle der Zusatzerregung der Synchronmaschinen oder in Verbindung mit ihr auch sämtliche bekannten Mittel zur Zwangskommutierung verwendet werden. Unter anderem kann man zur Verbesserung der Kommutierung eine besondere Maschine vorsehen, die mit dem Kontaktantrieb bezw. mit der Synchronmaschine gekuppelt ist, und die während der Überlappungsdauer der Kontakte, das heisst während des Kommu- tierungsvorganges, eine von der Belastung abhängige Wendespannung liefert.
Eine ähnliche Wirkung kann auch durch eine be sondere Ausgestaltung der mit dem Kontakt umformer elektrisch verbundenen Synchron maschine erzielt werden. Bei Verwendung . ruhender Stromwendemittel kann die Erzeu gung einer stromabhängigen.Wendespannung beispielsweise durch stromabhängige Beein flussung von Drosselspulen, zum Beispiel durch Vormagnetisierung oder .durch strom abhängige Veränderung des Ladestromes von Kommutierungskondensatoren, zum Bei spiel durch Gittersteuerung etwaiger zur Aufladung der Kondensatoren dienenden Stromrichtergefässe, durchgeführt werden.
In allen derartigen Fällen wirkt die Anordnung Kontaktumformer-M.otor bezw. der anstatt dieser Anordnung verwendete Stromrichter- motor oder dergleichen dann wie ein mit Wendepolen versehener Gleichstrom-Hoch- spannungsmotor, dessen Stromwendung zum mindesten innerhalb weiter Grenzen den Schwankungen des Laststromes folgt und eine Erhöhung des Grenzstromes und damit der Stabilität erlaubt, ohne dass dabei der Leistungsfaktor der Umformungseinrichtung auf untragbare Werte absinkt.
Bei manchen Anordnungen lässt sich sogar eine Phasen- voreilung erzielen.
In der Zeichnung sind mehrere Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In Fig. 1 bedeutet 1 eine Kraftmaschine, bei spielsweise eine Dampfturbine, die den Syn chrongenerator 2 antreibt. Der Synchron- generator 2 speist: über die Transformatoren 5 den Kontaktumformer 3, der zwecks Ver besserung der Kommutierung mit Schalt drosseln 6 ausgerüstet ist. Der Antrieb des Kontaktumformers erfolgt nun nicht durch einen besonderen Antriebsmotor, vielmehr ist das Antriebsorgan unmittelbar mit der Welle der Synchronmaschine 2 gekuppelt, so dass die einmal eingestellten Phasenbeziehun gen stets erhalten bleiben.
Über die Gleichstromleitung 4 wird die Energie dem Kontaktwechselrichter 7 mit den Schaltdrosseln 9 zugeleitet, von diesem in Drehstrom umgeformt. und dann über die Transformatoren 8 der Synchronmaschine 10 zugeführt. Der Antrieb der Umformerkon- takte 7 ist wiederum mit der Synchron maschinenwelle starr gekuppelt. Die Syn chronmaschine 10 speist: nun das Drehstrom netz 12 nicht: unmittelbar, sondern gibt ihre Leistung mechanisch an die Synchron maschine 11 weiter, die sie dann ihrerseits in Drehstromleistung umformt und dem Netz 12 zuführt. Man erkennt, dass das Drehstromnetz 12 von dem Kontaktumfor mer 7 elektrisch völlig getrennt ist.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die oben erwähnte Zusatzerregung der Syn chronmaschine. Die Arbeitswicklung der Synchronmaschine ist mit 13 bezeichnet. Die normale Erregerwicklung 14 wird von einer Erregermaschine 16 gespeist. Ausserdem ist eine zusätzliche Erregerwicklung 15 vor handen, die einen Strom empfängt, der von dem Strom in der Gleichstromleitung 4 ab hängig ist. Zu diesem Zweck ist ein Mess- widerstand 17 vorgesehen, dessen beide Hälften beiderseits des geerdeten, Mittel punktes des Kontaktumformers liegen und an dem ein dem Gleichstrom proportionaler Spannungsabfall auftritt.
Da sich der Mess- widerstand 17 auf Erdpotential befindet., so ist es möglich, die Erregerwicklung 15 un mittelbar an ihn anzuschliessen. Man kann jedoch im Bedarfsfalle auch noch besondere Regeleinrichtungen dazwischenschalten.
Im Gegensatz zu Fig. 1 ist in Fig. 3 die Wechselrichterseite einer Übertragungsan- lage dargestellt, bei der keine elektrische Trennung der Netze vorhanden ist und die takthaltende Maschine 18 infolgedessen nicht nur die Blindleistung für den Wechselrich- ter, sondern auch jene für das Drehstromnetz liefert.
Um die durch die elektrische Ver bindung bedingten Störungsmöglichkeiten der Stromwendung zu beseitigen, oder we nigstens in ihrer Wirksamkeit zu vermin dern, sind zwischen die Sammelschiene 12 und die einzelnen Zweige des Drehstrom netzes Drosselspulen 19 geschaltet, die eine hinreichende Dämpfungswirkung auf alle stossartigen Vorgänge im Drehstromnetz aus üben.
Arrangement for improving the stability of DC power transmission systems.- The invention relates to power transmission systems that work with hochgespann system direct current, and in which the direct current flowing over a long-distance line is converted into three-phase current by a contact inverter. The operation of such systems causes difficulties in terms of stability, and to a large extent these difficulties are due to the fact that the inverter is very sensitive to changes in the synchronous position of the contact movement with respect to the phase position of the AC voltage acting on it. The AC voltage is required to operate the.
The inverter is a very important variable, as it acts as a so-called reversing voltage, causing the current to pass from one phase to the next. Disturbances in the mutual phase relationship between the synchronous position of the contacts and the reversing voltage can occur if the drive motor of the contacts undergoes angular changes with respect to its synchronous position when there are voltage fluctuations, or if asymmetries occur in the three-phase network. Such phenomena can practically never be avoided in an extensive three-phase network.
Such phenomena also have a disadvantageous effect on the rectifier part.
The invention avoids these difficulties in that on the inverter side, on which the voltage vector of the three-phase network is determined by a clock-generating synchronous machine, this synchronous machine also serves to drive the inverter contacts. The analogous measure is expediently also taken on the rectifier side, that is to say the drive of the contact rectifier, which generates the direct current to be transmitted from the three-phase current, is rigidly coupled to the feeding synchronous generator.
In both cases, the rigid coupling can take place either directly or via an intermediate gear. The only thing that matters is that the synchronous position of the contact movement takes into account every fluctuation that the synchronous position of the machine rotor suffers without delay. An unwanted shift between the turning voltage and the contact movement can then no longer occur. The transformers usually required to adapt the three-phase voltages to the DC voltage of the transmission line and to convert the number of phases are connected between the machine winding and the contacts of the converter.
In circuits with conversion divided into several voltage levels, instead of a common machine or group of machines, a special synchronous machine can be provided for each level, with each level then being given a special transformer. In this case, it is advisable to operate the generators with a mutual phase shift in order to achieve a low direct current ripple, so that the effect of a higher-phase circuit arises. On the inverter side, the transformers will be designed to be low-spread in order to achieve the highest possible step limit.
The "step limit" is to be understood as the highest load at which the inverter can still commutate perfectly under the given conditions. As is known, the commutation process must be ended at the latest at the point in time when the voltages of the alternating phases are equal.
Since the commutation process depends not only on the size of the current to be commutated but also on the inductivity of the commutation circuit, the permissible load is the step limit for a given degree of control - the higher the smaller the transformer's spread. If the voltage conditions permit, for example in the case of multi-stage circuits with separate generators, autotransformers can be used to advantage.
The difficulties of inverting the current of the inverter in the event of voltage changes and especially in the case of voltage imbalances are largely due to the fact that the contact converter draws its reversing voltage either solely from the mains supply or from cycle machines that are directly or indirectly connected to the mains supply stand, so that all voltage disturbances of the fed network exert their influence on the current reversal in an undesirable way.
These difficulties, which still exist despite the rigid coupling of the contact apparatus with the associated alternating current machine, can be significantly alleviated if, while the electrical connection between the contact apparatus and the cycle machine is as rigid as possible (small transformer spread), the three-phase system is not fed directly, but via chokes Cycle machine is connected. The choke coils reduce the influence of voltage disturbances in the network on the voltage symmetry of the clock machine.
They can also be completely overcome in that the three-phase network fed by the transmission line BEZW. is electrically isolated from the contact converter by using a motor generator in place of the cycle machine. The motor generator used is preferably one which is made up of two synchronous machines. Such an arrangement provides the contact converter with an always symmetrical, undisturbed reversing voltage.
It also has the advantage that the inverter reactive power is supplied directly, and that the grid reactive current is completely separated from the reactive current required to operate the inverter. In general terms, the electrical separation offers the possibility of regulating the transmission conditions in the direct current line and in the three-phase power supply system completely independently of one another. The same measure can also be taken on the rectifier side.
For stable operation at a given reversing voltage, it is important that the current is limited upwards with regard to the step limit of the inverter. The speed at which the commutation process takes place, and thus its duration, also depends on the level of the alternating voltage, since the voltage difference between the phases that separate one another acts as a reversing voltage. Exceeding the step limit can therefore also be avoided by increasing it by increasing the turning tension.
Both can be done with the aforementioned. Arrangement with electrical separation of the networks can be achieved in that the synchronous machine electrically connected to the contact converter receives a current-dependent indirect or direct additional excitation. It may be sufficient if only one transmission side is designed in this way, but you can achieve increased effectiveness by simultaneous additional excitation in the inverter and additional de-excitation in the rectifier.
The additional excitation resp. De-excitation can also be advantageous with the known means of so-called shock excitation. -Derexcitation can be carried out, which makes it possible, please include to meet the fastest fluctuations in the transmission ratios.
For shock excitation, for example, a. resistance in the field circuit of the oversized exciter can suddenly be short-circuited. Surge excitation takes place, for example, by switching off the excitation and at the same time bridging the excitation winding with a resistor.
It should be noted at this point that the measures outlined, namely the electrical separation of the system components by means of motor generators and the additional machine excitation, are also important in an analogous design when it comes to conversion with the total voltage divided into stages.
Instead of the additional excitation of the synchronous machines or in connection with it, all known means for forced commutation can be used. Among other things, you can provide a special machine to improve the commutation that BEZW with the contact drive. is coupled to the synchronous machine, and which supplies a reversing voltage dependent on the load during the overlapping period of the contacts, that is to say during the commutation process.
A similar effect can also be achieved by a special design of the synchronous machine electrically connected to the contact converter. Using . A current-dependent reversing voltage can be generated, for example, by current-dependent influencing of choke coils, for example through premagnetization or through current-dependent change in the charging current of commutation capacitors, for example through grid control of any converter vessels used to charge the capacitors.
In all such cases, the arrangement Kontaktumformer-M.otor resp. the converter motor or the like used instead of this arrangement then as a DC high-voltage motor provided with reversing poles, whose current reversal follows the fluctuations in the load current at least within wide limits and allows an increase in the limit current and thus the stability without affecting the power factor the converting device drops to unacceptable levels.
In some arrangements it is even possible to achieve a phase lead.
In the drawing several Ausfüh approximately examples of the invention are shown. In Fig. 1, 1 means an engine, for example a steam turbine that drives the 2 syn chrongenerator. The synchronous generator 2 feeds: via the transformers 5 the contact converter 3, which is equipped with switching chokes 6 in order to improve the commutation. The contact converter is not driven by a special drive motor, rather the drive element is coupled directly to the shaft of the synchronous machine 2 so that the phase relationships that have been set are always retained.
Via the direct current line 4, the energy is fed to the contact inverter 7 with the switching inductors 9, which converts it into three-phase current. and then fed to the synchronous machine 10 via the transformers 8. The drive of the converter contacts 7 is in turn rigidly coupled to the synchronous machine shaft. The synchronous machine 10 feeds: now the three-phase network 12 not: directly, but mechanically transmits its power to the synchronous machine 11, which in turn converts it into three-phase power and feeds it to the network 12. It can be seen that the three-phase network 12 is electrically completely separated from the contact converter 7.
Fig. 2 shows an embodiment for the above-mentioned additional excitation of the syn chron machine. The working winding of the synchronous machine is denoted by 13. The normal excitation winding 14 is fed by an excitation machine 16. There is also an additional field winding 15 that receives a current that is dependent on the current in the direct current line 4. For this purpose, a measuring resistor 17 is provided, the two halves of which lie on either side of the earthed center point of the contact converter and at which a voltage drop proportional to the direct current occurs.
Since the measuring resistor 17 is at ground potential, it is possible to connect the excitation winding 15 directly to it. However, if necessary, special control devices can also be interposed.
In contrast to FIG. 1, FIG. 3 shows the inverter side of a transmission system in which there is no electrical separation of the networks and the clock-keeping machine 18 consequently not only provides the reactive power for the inverter but also that for the three-phase network supplies.
In order to eliminate the disturbance possibilities of the commutation caused by the electrical connection, or at least to reduce their effectiveness, choke coils 19 are connected between the busbar 12 and the individual branches of the three-phase network, which have a sufficient damping effect on all shock-like processes in the three-phase network practice.