DE69621697T2

DE69621697T2 - Verbindungssystem zur Leistungsübertragung zwischen elektrischen Systemen

Info

Publication number: DE69621697T2
Application number: DE69621697T
Authority: DE
Inventors: Einar Vaughn Larsen; Mark Andrew Runkle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2016-04-20
Also published as: EP0740387B1; CA2174568A1; EP0740387A3; JPH0923587A; DE69621697D1; ATE219304T1; US6741485B1; US6356472B1; CA2174568C; EP0740387A2; JP3824279B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der Übertragung elektrischer Energie und insbesondere auf die Übertragung von Energie zwischen elektrischen Systemen. Ein System zum Verbinden zweier elektrischer Systeme ist aus DE1488733 bekannt, das die Merkmale gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 enthält.
Einige elektrische Transformatoren, wie beispielsweise die Anzapfung verändernde Transformatoren, wie beispielsweise Variacs, verändern nur die Spannung. Andere Transformatoren, die als stationäre phasenverschiebende Transformatoren bekannt sind, können Energie ableiten und Energie um einen Drehmomentwinkel bewegen.
Lediglich die Spannung verändernde Transformatoren und stationäre phasenverschiebende Transformatoren können angemessen sein zum Verbinden zweier elektrischer Systeme, die bei der gleichen elektrischen Frequenz arbeiten, oder zur Übertragung innerhalb einer Versorgungsgesellschaft. Derartige Transformatoren sind jedoch nicht in der Lage, die Verbindungsstelle zwischen zwei elektrischen Systemen zu bilden, die bei unterschiedlicher Frequenz arbeiten (z. B. Übertragungen elektrischer Energie zwischen Versorgungsgesellschaften).
Es gibt eine Anzahl von Bereichen in der Welt, wo Verbindungen zwischen Energiesystemen eine asynchrone Verbindung erfordern. Bei einigen dieser Bereiche haben die Energiesysteme unterschiedliche Nennfrequenzen (z. B. 60 Hz und 50 Hz). Selbst für Verbindungen in anderen Systemen, die die gleiche Nennfrequenz haben, gibt es keine elektrische Einrichtung zum Herstellen einer synchronen Verbindung, die stark genug ist, um einen stabilen Betrieb in einem Verbindungsmodus zu gestatten.
Die vorherrschende Technologie zum Herstellen einer asynchronen Verbindung zwischen Energiesystemen ist Hochspannungs-Gleichstrom(HGÜ bzw. HVpC)-Wandlung.
Fig. 8 ist ein Einlinien-Diagramm, das schematisch ein bekanntes HGÜ Verbindungssystem 820 darstellt. Fig. 8 zeigt das Verbindungssystem 820, das ein erstes oder Versorgungssystem 822 (gezeigt als AC Enerhiesystem #1) und ein zweites oder Empfängersystem 824 (gezeigt als AC Energiesystem #2) verbindet. Das AC Energiesystem #1 ist mit dem Verbindungssystem 820 durch Leitungen 826 verbunden, um, in dem dargestellten Beispiel, ein dreiphasiges Eingangssignal der Frequenz F1 (wobei F1 die Frequenz des Versorgungssystems 822 ist) zu liefern. Das Verbindungssystem 820 ist durch Leitungen 828 mit dem Empfängersystem 824 verbunden, wobei Leitungen 828 ein dreiphasiges Ausgangssignal der Frequenz F2 von dem Verbindungssystem 820 zum Empfängersystem 824 führen.
Das HGÜ Verbindungssystem 820 gemäß Fig. 8 enthält eine Rücken-zu-Rücken DC Verbindung 830, die zwischen Busleitern 832 und 834 angeordnet ist. Der Busleiter 832 ist mit den Versorgungsleitungen 826 und einem Reaktanz-Kompensationsbus 842 verbunden. Der Busleiter 834 ist in ähnlicher Weise mit den Leitungen 828 und einem Reaktanz-Kompensationsbus 844 verbunden.
Jede Seite der Rücken-zu-Rücken DC Verbindung 830 enthält zwei Transformatoren (z. B. Transformatoren YY und YΔ auf der ersten Systemseite; Transformatoren YY und ΔY auf der zweiten Systemseite) und eine 12-Puls-Wandlergruppe. Wie in Fig. 8 dargestellt ist, enthält die 12-Puls-Wandlergruppe für die erste Seite der Verbindung 830 zwei 6-Puls-Wandlergruppen 850 und 852; die 12-Puls-Wandlergruppe für die zweite Seite der Verbindung 830 enthält zwei 6-Puls-Wandlergruppen 860 und 862. Da eine dreiphasige Gruppe dargestellt ist, enthält jede Wandlergruppe sechs Thyristoren, die in einer bekannten Weise verbunden sind. Ein Glättungsfilter 864 ist zwischen die Wandlergruppen 850 und 860 geschaltet.
Weiterhin sind in Fig. 8 Blindleistungs-Versorgungssysteme 870 und 880 gezeigt, die mit den Reaktanz-Kompensationsbussen 842 bzw. 844 verbunden sind. Das Blindleistungs- Versorgungssystem 870 enthält eine Shunt-Drossel 871, die mit dem Bus 842 durch einen Schalter 872 verbunden ist, und auch mehrere Filterzweige 873A, 873B, 873C, die mit dem Bus 842 durch Schalter 874A, 874B bzw. 874C verbunden sind. In ähnlicher Weise enthält das Blindleistungs-Versorgungssystem 880 eine Shunt-Drossel 881, die mit dem Bus 844 durch einen Schalter 882 verbunden ist, und auch Filterzweige 883A, 883B, 883C, die mit dem Bus 844 durch Schalter 884A, 884B bzw. 884C verbunden sind. Obwohl drei derartige Filterzweige 873A-873C und 883A- 883C dargestellt sind, ist verständlich, dass sich auch eine größere Anzahl von Filterzweigen in jedem Blindleistungs- Versorgungssystem 870, 880 befinden kann.
Für jede gegebene HGÜ Installation sind derartige Blindleistungs-Versorgungssysteme, wie beispielsweise die Systeme 870 und 880, schwierig zu konstruieren und sie sind teuer. Weiterhin gibt es eine große Anzahl von geschalteten Elementen, die mit einem gegebenen Energiepegel sorgfältig koordiniert werden müssen. Verschiedene Einschränkungen werden gleichzeitig auferlegt, beispielsweise muss der Harmonischengehalt unter einem erforderlichen Wert (d. h. Harmonischengehaltindex) gehalten werden und trotzdem muss die Bildleistung zwischen Grenzen gehalten werden, und darüber hinaus müssen die Filter in den Systemen 870 und 880 im wesentlichen konstant umgeschaltet werden, wenn sich die Leistung ändert. Bezüglich derartiger Einschränkungen wird (beispielsweise) auf Larsen and Miller "Specification of AC Filters for HVDC Systems", IEEE T&D Conference, New Orleans, April 1989, verwiesen.
Somit wird HGÜ bzw. HVDC kompliziert gemacht aufgrund beispielsweise des Erfordernisses, Harmonischen-Filterung, Steuerungen und Reaktanz-Kompensation eng zu koordinieren. Darüber hinaus hat HGÜ bzw. HVDC Leistungsgrenzen, wenn das Wechselspannungssystem auf einer der beiden Seiten eine kleine Kapazität hat im Vergleich zu der HGÜ Nennleistung. Ferner benötigt HGÜ bzw. HVDC in unerwünschter Weise wesentlichen Raum aufgrund der großen Anzahl von Hochspannungsschaltern und Filterbänken.
Bekannte Drehwandler verwenden eine Zweischritt- Wandlung und haben sowohl einen Vollleistungs-Generator als auch einen Vollleistungs-Motor auf der gleichen Welle. Drehwandler sind verwendet worden, um Energie von AC nach DC oder von DC nach AC umzuwandeln. Solche Drehwandler wandeln jedoch nicht direkt von AC nach AC bei unterschiedlichen Frequenzen. Weiterhin laufen Drehwandler kontinuierlich bei einer vorbestimmten Drehzahl (bei Hunderten oder Tauschenden von U/Min), wobei sie als Motoren arbeiten, die tatsächlich sich selber antreiben. Bekannte Drehwandler sind demzufolge nicht auf das Problem gerichtet, zwei elektrische Systeme miteinander zu verbinden, die sich zufällig bei ihren unterschiedlichen Frequenzverteilungen bewegen.
In einem völlig anderen technischen Arbeitsfeld beschreibt die Literatur einen Differential-"Selsyn"-Antrieb, der zur Drehzahlsteuerung von Motoren verwendet wird. Siehe Puchstein, Llody, and Conrad, Alternating-Current Machines, dritte Auflage, John Wiley & Sons, Inc., New York, Seiten 425-428, insbesondere Fig. 275 auf Seite 428, und Kron, Equivalent Circuits of Electric Machinery, John Wiley & Sons, Inc., New York, Seiten 150-163, insbesondere Fig. 9.5a auf Seite 156. Die Literatur zitiert den Differential-Selsyn-Antrieb nur im Kontext mit der Drehzahlsteuerung von Motoren, d. h. Motordrehzahlsteuerung über eine relative Drehzahleinstellung zwischen einem Motor und Generator. Darüber hinaus hat der Differential- Selsyn-Antrieb eine kleine Bandbreite und macht keine Anstrengungen, Rotoroszillationen zu dämpfen.
Gemäß der Erfindung wird ein System zum Verbinden erster und zweiter elektrischer Systeme geschaffen, wobei das Verbindungssystem enthält:
einen Drehtransformator mit einem Rotor, der mit dem ersten elektrischen System verbunden ist, und einem Stator, der mit dem zweiten elektrischen System verbunden ist;
eine Steuereinrichtung zum Einstellen einer Winkelstellung des Drehtransformators, so dass eine vorbestimmte Leistung von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System übertragen wird, wobei die Steuereinrichtung gekennzeichnet ist durch;
ein Winkelstellungs-Regelsystem, das den Drehtransformator betätigt zum Übertragen von Energie von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System, wobei die Steuereinrichtung enthält;
eine erste Steuereinheit, die ein eingegebenes Soll- Leistungssignal P&sub0; mit einem gemessenen bzw. Ist- Leistungssignal P&sub1; vergleicht, das zwischen dem ersten elektrischen System und dem zweiten elektrischen System übertragen wird, um ein gefordertes Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; zu generieren;
eine zweite Steuereinheit, die das geforderte Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; mit einem gemessenen Winkelgeschwindigkeitssignal ωr des Drehtransformators vergleicht, um ein Treibersignal T&sub0; zu generieren.
Der Drehtransformator weist einen Rotor, der mit dem ersten elektrischen System verbunden ist, und einen Stator auf, der mit dem zweiten elektrischen System verbunden ist. Eine Drehmoment-Steuereinheit oder Aktuator dreht den Rotor als Antwort auf das Treibersignal, das von dem Steuersystem generiert wird.
Die Bandbreite des Steuersystems ist so, dass Oszillationen (natürliche Oszillationen bzw. Pendelungen des Rotors, die dessen Reaktion auf das Übertragungsnetzwerk einschließen, in das es integriert ist) zu dämpfen. Die Bandbreite der ersten (langsamen) Steuereinheit ist so, dass sie unterhalb der kleinsten natürlichen Oszillationsart ist die Bandbreite der zweiten (schnellen) Steuereinheit ist so gewählt, dass sie über der höchsten natürlichen Oszillationsart ist. Wie er hier verwendet ist, bezieht sich der Begriff Bandbreite von einer Steuereinheit oder einem Steuersystem auf die Ansprechgeschwindigkeit von einer Rückführungseinheit oder einem System in einem geschlossenen Regelkreis.
Die ersten und zweiten elektrischen Systeme können eine unterschiedliche elektrische Charakteristik (z. B. Frequenz oder Phase) haben. Die Steuerung betätigt den Drehtransformator bidirektional bei einer variablen Drehzahl zum Übertragen von Energie von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System oder umgekehrt (d. h. von dem zweiten elektrischen System zu dem ersten elektrischen System).
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Drehmoment- Steuereinheit (Aktuator) ein Motor. In derartigen Ausführungsbeispielen kann die Drehmoment-Steuereinheit entweder den Rotor direkt antreiben oder über ein Getriebe mit dem Roter in Verbindung stehen. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist das Getriebe ein Schneckengetriebe.
In anderen Ausführungsbeispielen ist die Drehmoment- Steuereinheit in die Rotoranordnung und den Stator des Drehtransformators integriert. In solchen Ausführungsbeispielen wird die Funktion der Drehmoment-Steuereinheit dadurch herbeigeführt, dass zwei Sätze von Wicklungen auf sowohl dem Rotor als auch dem Stator ausgebildet werden, wobei ein erster Wicklungssatz auf dem Rotor und dem Stator eine andere Anzahl von Polen (z. B. zwei Pole) als ein zweiter Satz von Wicklungen auf dem Rotor und dem Stator (z. B. vier oder mehr Pole) hat. Die Ausführungsbeispiele, in denen die Drehmoment-Steuereinheit in die Rotoranordnung und den Stator des Drehwandlers integriert sind, umfassen ein Kurzschlussanker-Ausführungsbeispiel; ein Gleichstrom-erregtes Rotor(Synchron)-Ausführungsbeispiel; und ein Wechselstrom-Ausführungsbeispiel mit gewickeltem Rotor.
Das Verbindungssystem des vorliegenden System ist in einer Unterstation zum Verbinden asynchroner elektrischer Systeme verwendbar, wie beispielsweise ersten und zweiten Leistungsgittern, die unterschiedliche elektrische Frequenzen haben. Das Verbindungssystem gemäß der Erfindung überträgt nicht nur Energie, sondern kann auch Energie schnell verändern, indem eine Phasenverschiebung unter Last herbeigeführt wird.
In der vorliegenden Erfindung wird mechanisches Drehmoment des Drehtransformators gesteuert, um eine Soll-Energieübertragung von Stator- zu Rotorwicklungen herbeizuführen. Die vorliegende Erfindung steht im Gegensatz zu bekannten Techniken, die eine Energieübertragung von Rotor- zu Statorwicklungen zu dem Zweck steuerten, das an die Last angelegte Drehmoment zu steuern (und dadurch deren Drehzahl). Darüber hinaus sind in der vorliegenden Erfindung sowohl Rotor- als auch Statorwicklungen für eine volle Energieübertragung ausgelegt, wogegen in bekannten Anwendungen die Rotorwicklung nur für einen kleinen Bruchteil der Statorwicklung ausgelegt war.
Es ist wichtig, dass die vorliegende Erfindung vermeidet, dass die bekannte HGÜ bzw. HVDC die Harmonischen-Filterung, Steuerungen und Reaktanz-Kompensation eng koordinieren muss. Die vorliegende Erfindung sorgt auch in vorteilhafter Weise für eine Einschritt-Wandlung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierteren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen deutlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen sich Bezugszahlen auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, vielmehr ist Betonung auf die Darstellung der Prinzipien der Erfindung gelegt.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht von einem Verbindungssystem für elektrische Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine teilweise schematische, teilweise perspektivische Ansicht von einem Verbindungssystem für elektrische Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3A ist eine Seitenansicht von einem Verbindungssystem für elektrische Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein Schneckengetriebe verwendet.
Fig. 3B ist eine Draufsicht auf das Verbindungssystem für elektrische Energie gemäß Fig. 3A.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht von einer Unterstation zum elektrischen Verbinden eines ersten elektrischen Systems und eines zweiten elektrischen Systems.
Fig. 5 ist ein Kurvenbild und zeigt Drehmoment- Steuererfordernisse des Verbindungssystems für elektrische Energie gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist ein Kurvenbild und zeigt eine Leistungfähigkeitskurve des Verbindungssystems für elektrische Energie gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine schematische Draufsicht von einem Ausführungsbeispiel, wobei eine Drehmoment-Steuereinheit in die Rotoranordnung und den Stator des Drehtransformators integriert ist.
Fig. 7A ist eine schematische Draufsicht von einem Ausführungsbeispiel, wobei eine Drehmoment-Steuereinheit in die Rotoranordnung und den Stator von dem Drehtransformator in einer Kurzschlussanker-Konfiguration integriert ist.
Fig. 7B ist eine schematische Draufsicht von einem Ausführungsbeispiel, wobei eine Drehmoment-Steuereinheit in die Rotoranordnung und den Stator von dem Drehtransformator in einer Gleichstrom-erregten Rotor(Synchron)-Konfiguration integriert ist.
Fig. 7C ist eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel, wobei eine Drehmoment-Steuereinheit in die Rotoranordnung und den Stator von dem Drehtransformator in einer Wechselstrom-Konfiguration mit gewickeltem Rotor integriert ist.
Fig. 8 ist ein Einlinien-Diagramm, das schematisch ein bekanntes HDÜ bzw. HVDC Verbindungssystem darstellt.
Fig. 9 ist ein Phasenzeiger-Diagramm, das die Phasenzeiger von dem Verbindungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Verbindungssystem 100 für elektrische Energie, das einen frequenzvariablen Transformator 102 und ein Steuersystem 104 enthält. Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher beschrieben wird, ist der frequenzvariable Transformator 102 durch dreiphasige Leitungen RA, RB, RC (in der Leitung 26 enthalten) mit dem ersten AC Energiesystem 22 und durch dreiphasige Leitungen SA, SB und SC (in der Leitung 28 enthalten) mit dem zweiten AC Energiesystem 24 verbunden. Wie nachfolgend ebenfalls erläutert wird, können das erste elektrische System und das zweite elektrische System eine unterschiedliche elektrische Charakteristik, wie beispielsweise unterschiedliche elektrische Frequenz, haben und wahrscheinlich werden sie diese haben.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält der frequenzvariable Drehtransformator 102 sowohl eine Drehtransformatoreinrichtung 105 als auch eine Drehmoment-Steuereinheit 106 (auch bekannt als der Rotorantriebsabschnitt). Einzelheiten des Drehtransformators 105 und der Drehmoment-Steuereinheit 106 werden nachfolgend näher in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben.
Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt ist, enthält das Steuersystem 104 eine langsame Leistungssteuereinheit 107, eine Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 108 und einen Leistungswandler 109. Die langsame Leistungssteuereinheit 107 ist so verbunden, dass sie die Spannung V&sub1;, die auf der Leitung 26 von dem ersten AC Energiesystem 22 geführt wird, und die Spannung V&sub2;, die auf der Leitung 28 zu dem zweiten AC Energiesystem 24 geführt wird, und auch (über den Leistungswandler 109) ein Signal empfängt, das die gemessene Leistung P&sub1; anzeigt, das auf der Leitung 26 übertragen wird. Die langsame Leistungssteuereinheit 107 ist auch so geschaltet, dass sie ein Sollleistungs-Eingangssignal P&sub0; empfängt und ein Signal ω&sub0; an die Hochgeschwindigkeits-Steuereinheit 108 abgibt. Die Hochgeschwindigkeits- Steuereinheit 108 empfängt ihrerseits ein Signal ωr von dem Drehzahlwandler 111 und gibt ein Treiber- bzw. Antriebssignal an die Drehmoment-Steuereinheit 106 ab.
Wie in Fig. 2 deutlicher gezeigt ist, enthält die Drehwandlereinrichtung 105 sowohl eine Rotor-Untereinrichtung 110 als auch einen Stator 112. Die Rotor-Untereinrichtung 110 enthält Kollektorringe 114 (auch bekannt als Schleifringe) und einen Rotorkäfigabschnitt 116. Dreiphasige Leitungen RA, RB, RC, die von dem ersten AC Energiesystem 22 wegführen, sind mit den Kollektorringen 114 verbunden; dreiphasige Leitungen SA, SB und SC, die zu dem zweiten AC Energiesystem 24 hinführen, sind mit dem Stator 112 verbunden. Auf der Rotor-Untereinrichtung 110 ist der Drehzahlwandler 111 nahe daran angebracht, um das Winkelgeschwindigkeitssignal ωr zu generieren, das die Winkelgeschwindigkeit des Rotors angibt.
Wie in Fig. 2 gezeigt und für den Fachmann verständlich ist, ist zwar in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Drehtransformatoreinrichtung 105 mit 60 Grad Zonenbreiten gewickelt, wobei die Rotorwicklungen als RA+, RC-, RB+, RA-, RC+ und RB- bezeichnet und die Statorwicklungen als SA+, SC-, SB+, SA-, SC+ und SB- bezeichnet sind. Es ist jedoch verständlich, dass die Erfindung nicht auf ein mit 60 Grad Zonenbreite gewickeltes System begrenzt ist, sondern dass vielmehr die Prinzipien der Erfindung für Drehtransformatoreinrichtungen mit zwei oder mehr Phasen anwendbar ist.
Die Rotoreinrichtung 110 ist um ihre Achse RX sowohl in Uhrzeigerrichtung CV als auch Gegenuhrzeigerrichtung CCW drehbar. Eine Rotation der Rotoreinrichtung 110 wird durch einen Rotorantriebsabschnitt 106 herbeigeführt.
Der Rotorantriebsabschnitt 106 ist in Fig. 2 symbolisch als ein zylindrischer Abschnitt gezeigt, der auf der Rotoreinrichtung 110 angebracht ist. Somit zeigt der Rotorantriebsabschnitt 106 gemäß Fig. 2 allgemein verschiedene alternative und unterschiedliche Typen von Antriebsmechanismen, um eine Rotation der Rotoreinrichtung 110 zu bewirken. In einigen Ausführungsbeispielen enthält der Rotorantriebsabschnitt 106 einen Aktuator und einen gewissen Verbindungstyp (z. B. Getriebe), der mit der Rotoreinrichtung 110 in Verbindung steht. Beispielsweise weist in einem Ausführungsbeispiel der Rotorantriebsabschnitt 106 eine Schneckengetriebe-Antriebsanordnung auf, wie sie in Fig. 3A und Fig. 3B gezeigt ist und nachfolgend erläutert wird. In anderen Ausführungsbeispielen enthält der Rotorantriebsabschnitt 106 einen Aktuator, wie beispielsweise einen Schrittmotor, der über ein radiales (z. B. Stirn-) Zahnrad wirkt, eine direkte Antriebsanordnung, einen hydraulischen Aktuator, der ein Zahnrad auf der Rotoreinrichtung 110 dreht, oder einen pneumatischen Aktuator, der ein Zahnrad auf der Rotoreinrichtung 110 dreht. In noch anderen Ausführungsbeispielen, die allgemein in Fig. 7 dargestellt sind, wird die Funktion der Drehmoment-Steuereinheit (gezeigt als Element 106") dadurch ausgeführt, dass zwei Sätze von Wicklungen auf sowohl dem Rotor als auch dem Stator vorgesehen sind, ein erster Wicklungssatz auf dem Rotor und Stator, der eine andere Anzahl von Polen (z. B. zwei Pole) als ein zweiter Wicklungssatz auf dem Rotor und Stator (z. B. vier oder mehr Pole) hat. Somit kann jeder geeignete Antriebsmechanismus für den Rotorantriebsabschnitt 106 verwendet werden, so lange er mit der geregelten Winkelposition der Rotoreinrichtung 110 kompatibel ist, wie es hier beschrieben wird.
Das Steuersystem 104 betätigt bidirektional die Rotoreinrichtung 110 (über den Rotorantriebsabschnitt 106) zum Übertragen von Energie von dem ersten AC Energiesystem 22 zum zweiten elektrischen System 24 oder umgekehrt. Im Betrieb setzt ein Operator das Sollleistungs-Eingangssignal P&sub0; gemäß einem vorbestimmten Energieübertragungserfordernis, das zwischen den AC Energiesystemen 22 und 24 im voraus vorgesehen ist. Das Einstellen des Sollleistungs-Eingangssignals P&sub0; kann dadurch ausgeführt werden, dass ein Knopf eingestellt wird oder Daten an einer Operator-Steuertafel oder einer Operator-Arbeitsstation CP eingegeben werden, um das Signal P&sub0; zu generieren, das die Sollleistung angibt. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Steuerstafel CP entfernt von dem Verbindungssystem 100 angeordnet.
Die langsame Leistungssteuereinheit 107 vergleicht das Sollleistungs-Eingangssignal P&sub0; mit dem gemessenen bzw. Istleistungs-Übertragungssignal P&sub1;, um ein gefordertes Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; zu erzeugen. Das gemessene Leistungsübertragungssignal P&sub1; wird von den drei Leitungen 26 durch den Leistungswandler 109 erhalten. Der Leistungswandler 109 kann irgendeiner aus einer Anzahl von üblichen Instrumenten sein, wobei der Fachmann auf einfache Weise weiß, wie das Signal P&sub1; zu erhalten ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die langsame Leistungssteuereinheit 107 ein Integrator, der eine Differenz zwischen dem Sollleistungssignal P&sub0; und dem gemessenen bzw. Istleistungssignal P&sub1; (d. h. P&sub0; - P&sub1;) misst und das Ergebnis in eine Integratorfunktion eingibt, um das geforderte Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; zu generieren. Die langsame Leistungssteuerung 107 hat einen sehr kleinen Gewinn, um eine Störung der natürlichen Dynamik des AC Systems zu verhindern, die im allgemeinen über 3 rad/sec (wie nachfolgend beschrieben) auftritt.
Die schnelle Drehzahlsteuerung 108 empfängt sowohl das Soll-Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; als auch ein gemessenes bzw. Ist-Winkelgeschwindigkeitssignal ωr. Das Soll-Winkelgeschwindigkeitssignal ω&sub0; wird durch die langsame Drehzahlsteuerung 107 generiert, wie es vorstehend beschrieben ist. Das gemessene bzw. Ist-Winkelgeschwindigkeitssignal ωr wird von einem Drehzahlwandler 111 erhalten. Die schnelle Drehzahlsteuerung 108 generiert ein Antriebssignal (auch bekannt als das Soll-Drehmomentsignal T&sub0;) auf der Leitung 134, so dass ωr schnell gleich ω&sub0; ist. Der Fachmann weiß, wie übliche Motorantriebe als schnelle Drehzahlsteuerung 108 zu betätigen sind, um die Signale ωr und w&sub0; zu verwenden, um das Treibersignal T&sub0; zu generieren.
Somit hat die schnelle Drehzahlsteuerung 108 die Funktion, das Treibersignal T&sub0; auf der Leitung 134 zur Drehmoment- Steuereinheit 106 so einzustellen, dass die Ist-Drehzahl ωr der Rotoreinrichtung 110 der Soll-Drehzahl ω&sub0; folgt. Die Bandbreite der Regelschleife der schnellen Drehzahlsteuerung 108 sollte größer sein als die höchste natürliche Schwingungsfrequenz der Rotoreinrichtung 110 einschließlich ihrer Reaktion auf das Übertragungsnetzwerk, in das sie integriert ist, und im allgemeinen ist sie kleiner als 100 rad/sec. Üblicherweise liegen die natürlichen oder Eigenschwingungsmoden in dem Bereich von 3 rad/sec bis 50 rad/sec und sind gewöhnlich kleiner als 30 rad/sec. In Verbindung mit der Bandbreite (Ansprechgeschwindigkeit) der schnellen Drehzahlsteuerung 108 ist, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, eine Phasenverzögerung von einer Änderung in der Soll-Drehzahl ω&sub0; zur Ist-Drehzahl ωr der Rotoreinrichtung 110 kleiner als 90 Grad für sinusförmige Störungen. Wenn diese Bandbreite des Ansprechverhaltens sichergestellt ist, wird dadurch gewährleistet, dass alle diese natürlichen oder Eigenschwingungsmoden eine vorteilhafte Dämpfung aus dem Steuersystem erfahren.
Die Zielrichtung (z. B. Polarität) des Antriebssignal T&sub0; auf der Leitung 134 ist gemäß der Richtung des Energieflusses (z. B. in Übereinstimmung damit, ob Energie von dem AC Energiesystem 22 zum AC Energiesystem 24 fließt oder umgekehrt). Die Größe des Antriebs- bzw. Treibersignals T&sub0; auf der Leitung 134 wird von dem Rotorantriebsabschnitt 106 dazu verwendet, die Drehzahl der Rotoreinrichtung 110 zu vergrößern oder zu verkleinern, um die Differenz zwischen den Frequenzen des AC Energiesystems 22 und des AC Energiesystems 24 anzupassen.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das Treibersignal T&sub0; auf der Leitung 134 an einen Drehmoment-Steuerverstärker 150 angelegt. Dem Drehmoment-Steuerverstärker 150 wird durch eine Drehmoment-Steuerleistungsquelle 152 Energie zugeführt, wodurch unter Verwendung des Treibersignals T&sub0; auf der Leitung 134 der Drehmoment-Steuerverstärker 150 die dreiphasigen Signale TA, TB und TC an die Drehmoment-Steuereinheit 106 abgibt. Wie es hier und in der Technik verwendet wird, bezieht sich TA gemeinsam auf TA+ und TA-, TB bezieht sich gemeinsam auf TB+ und TB- usw.
Fig. 9 ist ein Phasenzeiger-Diagramm in Bezug auf einen Referenz-Phasenzeiger Vref. Fig. 9 zeigt einen Spannungs- Phasenzeiger V&sub1;, der die Spannung V&sub1; am AC Energiesystem 22 darstellt, einen Spannungs-Phasenzeiger V&sub2;, der die Spannung V&sub2; am AC Energiesystem 24 darstellt, und auch den Phasenwinkel θ&sub1; der Wechselspannung auf den Leitungen 26 in Bezug auf den Phasenzeiger Vref, den Phasenwinkel θ&sub2; der Wechselspannung auf den Leitungen 28 in Bezug auf den Phasenzeiger Vref und θr. Die Winkelstellung θr der Rotoreinrichtung 110 relativ zum Stator 112 ist auch in Fig. 2 gezeigt, wobei es aus der üblichen Praxis verständlich ist, dass θr Null ist, wenn RA+ exakt gleich SA+ ist.
Eine Aufgabe des Verbindungssystems 100 besteht darin zu bewirken, dass die Drehzahl und Winkelstellung θr des frequenzvariablen Transformators 102 so ist, dass eine gewünschte Leistung (d. h. angezeigt durch das Sollleistungssignal P&sub0;) durch das Verbindungssystem 100 zwischen dem AC Energiesystem 22 und dem AC Energiesystem 24 übertragen wird. Im Kern steuert das Verbindungssystem 100 den Winkel θr (siehe Fig. 9) so, dass das Ist-Leistungssignal P&sub1; an das Soll-Leistungssignal P&sub0; angepasst ist. Das Treibersignal T&sub0; auf der Leitung 134 wird dazu verwendet, die Winkelrelation θr der Rotoreinrichtung 110 relativ zum Stator 112 so einzustellen, dass die Drehzahl und der Winkel des Drehtransformators 102 eine Übertragung von Energie bei dem Soll-Energiepegel ermöglichen.
Die Leistungsübertragung durch das Verbindungssystem 100 wird durch Gleichung 1 angenähert:
P&sub1; = V&sub1;V&sub2;sin(θ&sub1; - θ&sub2; + θr)/X&sub1;&sub2; Gleichung 1
wobei:
P&sub1; = Energie durch das Verbindungssystem 100
V&sub1; = Spannungsamplitude auf Leitungen 26
V&sub2; = Spannungsamplitude auf Leitungen 28
θ&sub1; = Phasenwinkel der Wechselspannung auf den Leitungen 26 in Bezug auf den Referenz-Phasenzeiger Vref
θ&sub2; = Phasenwinkel der Wechselspannung auf den Leitungen 28 in Bezug auf den Referenz-Phasenzeiger Vref
θr = Phasenwinkel der Rotoreinrichtung 110 in Bezug auf den Stator
X&sub1;&sub2; = Gesamtreaktanz zwischen den Leitungen 26 und 28.
Es gibt eine maximale theoretische Energieübertragung, die durch das Verbindungssystem 100 in jeder der beiden Richtungen möglich ist. Die absolute Größe der theoretischen Energieübertragung ist durch Gleichung 2 gegeben:
Pmax = V&sub1;V&sub2;/X&sub1;&sub2; Gleichung 2
die auftritt, wenn der resultierende Winkel nahe 90 Grad in jeder Richtung ist, wie es aus Gleichung 3 deutlich wird:
θnet = θ&sub1; - θ&sub2; + θr = ± 90º Gleichung 3
Für einen stabilen Betrieb muss der Winkel θnet einen Absolutwert haben, der signifikant kleiner als 90º ist, was bedeutet, dass die Leistungsübertragung auf einen gewissen Bruchteil des maximalen theoretischen Wertes begrenzt ist, der durch Gleichung 2 gegeben ist. Innerhalb dieses Bereiches folgt die Energieübertragung einer monotonen und nahezu linearen Beziehung zu dem resultierenden bzw. Nettowinkel, was durch Gleichung 4 angenähert werden kann:
P&sub1; &sim; Pmaxθnet Gleichung 4
Die Winkel der Wechselspannungs-Phasenzeiger gemäß Fig. 9 sind durch die Zeitintegrale von ihren entsprechenden Frequenzen gegeben, während der Winkel der Rotoreinrichtung 110 durch das Integral ihrer Drehzahl über der Zeit gegeben ist, wie es durch Gleichung 5 demonstriert wird:
P&sub1; = PMAX[ (ω&sub1;(t) - ω&sub2;(t))dt + (ωr(t))dt] Gleichung 5
wobei ω&sub1;(t) = Frequenz der Wechselspannung auf der Leitung 26 als eine Funktion der Zeit;
ω&sub2;(t) = Frequenz der Wechselspannung auf der Leitung 28 als eine Funktion der Zeit;
ωr(t) = Frequenz der Rotoreinrichtung 110 als eine Funktion der Zeit.
Somit wird die Durchgangsleistung direkt beeinflusst durch das Zeitintegral der Wellendrehzahl der Rotoreinrichtung 110 über der Zeit. Diese Charakteristik gestattet eine Leistungsregelschleife, die durch die vorliegende Erfindung implementiert wird, indem die Durchgangsleistung (P&sub1;) gemessen und der Sollwert für die Wellendrehzahl (ω&sub0;) eingestellt werden. Indem die Bandbreite dieses Leistungsreglers gut unter derjenigen des kleinsten Schwingungsmodus auf dem System (üblicherweise unter 3 rad/sec) gehalten wird, wird die Aufgabe der Dämpfung von Rotorschwingungen nicht nachteilig beeinflusst.
Die schnelle Leistungsbegrenzungsfunktion wird verwendet, um den normalen langsamen Leistungsregler zu übersteuern, wenn die gemessene Leistung den Grenzwert überschreitet, der aus gemessenen Spannungen berechnet wird. Der Grenzwert ist ein gewisser Bruchteil der maximalen theoretischen Energie, wie es durch Gleichung 6 angegeben ist:
PGrenze = FGrenzePmax Gleichung 6
wobei PGrenze = Leistungsgrenze (die in jeder Richtung zugeführt wird);
FGrenze = maximal zulässiger Bruchteil der theoretischen Leistung.
Wie sie hier verwendet wird, bezieht sich Phase auf die elektrische Phase. Wenn mehr als zwei Pole vorhanden sind, ist die Beziehung zwischen mechanischen Graden auf der Rotoreinrichtung 110 und elektrischen Graden
mechanische Grade = 2/# Pole·elektrische Grade.
Eine Phasenverschiebung wird dadurch herbeigeführt, dass die Rotoreinrichtung 110 relativ zum Stator 120 physikalisch verschoben wird. Die Winkelposition der Rotoreinrichtung 110 kann beibehalten, vorgeschoben oder verzögert werden, je nach Wunsch. Die Phasenverschiebung wird dadurch ausgeführt, dass die Winkelstellung des Rotors verändert und somit die Gegeninduktivitäten unter den Phasen des Verbindungssystems 100 verändert werden.
Die Anzahl der Pole (NP) des Drehtransformators 105 ist üblicherweise von Systemparametern abhängig, wie beispielsweise der Anzahl möglicher Luftspalte. Jedoch beeinflusst die Polzahl (NP) des Systems die Anzahl mechanischer Grade (NMD) der nötigen Rotorwinkelverschiebung, um Energie für eine gegebene elektrische Frequenzdifferenz (EFD) zu übertragen, wie es durch den Ausdruck NMD = 2·EFD/NP angegeben ist. Somit kann eine hohe Polzahl (hohe NP) die Anzahl mechanischer Grade (NMD) der erforderlichen Winkelverschiebung stark verkleinern, um die elektrische Verschiebung zu erzielen. Beispielsweise entspricht eine elektrische Verschiebung von -30 bis +30 Grad einer mechanischen Verschiebung von nur -2 bis +2 Grad auf einem 30-poligen Motor mit gewickeltem Rotor. Durch Verkleinern des mechanischen Winkels, der verschoben werden muss, können die erforderlichen Kräfte stark verringert werden, oder umgekehrt kann die Ansprechzeit stark vergrößert werden, um die gewünschte Verschiebung zu erzielen.
Fig. 3A und 3B zeigen das Verbindungssystem für elektrische Energie mit einem speziellen Rotorantriebsabschnitt (Drehmoment-Steuereinheit) 106'. Der Rotorantriebsabschnitt 106' verwendet ein Schneckenzahnrad 160, das mit einem radialen Zahnrad 162 des Rotors als eine Verbindung kämmt, und zusätzlich verwendet er einen Schneckenzahnrad-Servoantrieb 164 (z. B. einen Schrittmotor) als einen Aktuator. Zusätzlich zeigen Fig. 3A und 3B eine spezielle Befestigungsstruktur der Rotoreinrichtung 110, und insbesondere ein Schub- und Radiallager 170 und ein oberes Radiallager 172, die sowohl eine Anordnung als auch Rotation der Rotoreinrichtung 110 erleichtern. Ein Vorteil des Rotorantriebsabschnittes 106' ist der, dass der Schneckenzahnradantrieb die Tendenz hat, selbst-verriegelnd zu sein. Sollte sein zugehöriger Servoantrieb 164 nicht drehen, wird die Rotoreinrichtung 110 in ihrer Stellung verriegelt, bis der elektrische Phasenfehler 360º erreicht. Zu dieser Zeit wird ein Schutzrelais das Verbindungssystem 110 off-line schalten.
Wie oben ausgeführt wurde, werden in anderen Ausführungsbeispielen andere Arten von Mechanismen für den Rotorantriebsabschnitt 106 verwendet. Während der Rotorantriebsabschnitt 106' gemäß Fig. 3A und Fig. 3B für eine feste Verbindung der Rotoreinrichtung 110 mit dem Schneckengetriebe 160 sorgt, muss eine derartige feste Verbindung nicht notwendigerweise für andere Ausführungsbeispiele auftreten. Beispielsweise wird in einem Ausführungsbeispiel ein Torsionsfeder/Dämpfersystem zwischen dem Schneckenzahnrad 160 und der Rotoreinrichtung 110 eingesetzt, um die mechanische Dynamik einzustellen. Wenn in einem derartigen System der auf einem Schneckengetriebe basierende Rotorantriebsabschnitt 106' in der Phase verschoben wird (beispielsweise 20 Grad elektrisch), dann wird die Kombination von elektrischer Energie und mechanischer Energie abgestimmt, um die Zeitkonstanten der Last, die gespeist wird, anzupassen. Das Ergebnis ist eine gleichförmige Leistung, die auf der Versorgerseite eingegeben wird, und eine Stabilisierung der Systemlast.
Fig. 7A, 7B und 7C zeigen spezielle Implementierungen von Rotorantriebsabschnitten, allgemein dargestellt durch Fig. 7, wobei diese Implementierungen als Rotorantriebsabschnitte 106"A, 106"B bzw. 106ºC dargestellt sind. Fig. 7A, 7B und Fig. 7C sind Darstellungen von Ausführungsbeispielen, in denen die Rotorantriebsabschnitte in die Rotoreinrichtung 110 und den Stator 112 des Drehtransformators 110 integriert sind. Insbesondere stellt Fig. 7A ein Kurzschlussanker-Ausführungsbeispiel dar; Fig. 7B stellt ein Gleichstrom-erregtes Rotor(Synchron)-Ausführungsbeispiel dar; und Fig. 7C stellt ein Wechselstrom-Ausführungsbeispiel mit gewickeltem Rotor dar.
Indem nun gemeinsam auf die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C Bezug genommen wird, verwenden die Rotorantriebsabschnitte 106"A, 106"B bzw. 106ºC alle eine zweipolige Rotor/Stator-Konfiguration in einer vierpoligen Rotor/Stator-Konfiguration. In diesen Ausführungsbeispielen ist zu sehen, dass die Rotoreinrichtung 110" auf ihrem äußeren Umfang die gleichen zweipoligen Rotorwicklungen hat, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind (diese gemeinsamen Rotorwicklungen sind schraffiert). Zusätzlich hat die Rotoreinrichtung 110" acht vierpolige Rotorwicklungen (die auf einem kleineren Radius von der Mitte der Rotoreinrichtung 110' als die zweipoligen Rotorwicklungen angeordnet sind, wobei die vierpoligen Rotorwicklungen unschraffiert sind). Der Stator 112" hat auf seinem inneren Umfang die gleichen zweipoligen Statorwicklungen, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind (diese gemeinsamen Statorwicklungen sind ebenfalls schraffiert). Zusätzlich hat der Stator 112" acht vierpolige Statorwicklungen (die an einem größeren Radius von der Mitte der Rotoreinrichtung 110" als die zweipoligen Statorwicklungen angeordnet sind, wobei die vierpoligen Statorwicklungen unschraffiert sind). In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C sind die: vierpoligen Statorwicklungen mit den Leitungen TA+, TB+, TC+, TA-, TB-, TC- verbunden, die von den Drehmoment-Steuerverstärker 150 ausgehen (siehe Fig. 2), und die Verbindungen von RA, RB, RC, SA, SB, SC sind wie in Fig. 2 gezeigt.
In dem Kurzschlussanker-Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7A sind die vierpoligen Rotorwicklungen in sich selbst kurzgeschlossen, um einen Kurzschlussankermotor zu bilden.
In dem Gleichstrom-erregten Rotor(Synchron)-Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7B erzeugt die Drehzahl-Steuereinheit 108 ein weiteres Signal Efdo (Feldspannung), das an einen Erregerverstärker 700B angelegt wird. Der Erregerverstärker 700B leitet seine Leistung von einer Erregerleistungsquelle 702B ab und gibt Signale DC+ und DC- an eine Schleifringeinrichtung 114B ab, die zwei Schleifringe aufweist. Die Anordnung der Schleifringe in der Schleifringeinrichtung 114B ist von den Kollektorringen 114 gemäß Fig. 2 verständlich.
In dem Wechselstrom-Ausführungsbeispiel mit gewickeltem Rotor gemäß Fig. 7C generiert die Drehzahl-Steuereinheit 108 ein weiteres Signal TR&sub0; (Rotorstromsignal), das an einen Rotorerregungsverstärker 700C angelegt ist. Der Rotorerregungsverstärker 700C generiert die dreiphasigen Signale TRA, TRB und TRC, die an drei Schleifringe angelegt werden, die die Schleifringeinrichtung 114C bilden.
In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C rotiert der Fluss in dem Luftspalt (zwischen Rotor und Stator) für die vierpolige Konfiguration nur halb so schnell wie der Fluss für die zweipolige Konfiguration. Als eine Folge hat der Einfluss des vierpoligen Flusses auf die zweipolige Konfiguration keinen Mittelwert, sondern nur einen "Schlag"-Wert. Mit anderen Worten, wenn der Fluss der zweipoligen Konfiguration mit 1 Hz rotieren würde und der Fluss der vierpoligen Konfiguration bei 0,5 Hz rotieren würde, sieht die zweipolige Konfiguration eine Schlagfrequenz von 0,5 Hz.
Obwohl die Ausführungsbeispiele von Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C eine zweipolige und eine vierpolige Konfiguration zeigen, sollte klar sein, dass die zweite Konfiguration größer als vierpolig sein könnte (z. B. um die Differenz der Anzahl von Polen der zwei Konfigurationen zu vergrößern), um so die Schlagfrequenz zwischen den zwei Konfigurationen zu erhöhen, um Pulsationen niedrig zu halten.
Mit den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7A, Fig. 7B und Fig. 7C wird ein mittleres Drehmoment gesteuert, wobei beide Wicklungssätze (die zweipoligen Wicklungen und die vierpoligen Wicklungen) unabhängig verwendet werden. Beispielsweise könnten, wie durch die Verbindungen in Fig. 7 dargestellt ist, die vierpoligen Wicklungen verwendet werden, um die gleiche Funktion wie die Drehmoment-Steuereinheit 106 (auch bekannt als der Rotorantriebsabschnitt) von Fig. 2 auszuüben.
Obwohl vorteilhafterweise Schleifringe vermieden werden, sieht das Kurzschlussanker-Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7A ein mittleres Drehmoment von sowohl den "S" Wicklungen als auch von den "T" Wicklungen auf dem Stator 112. Infolgedessen muss die Steuereinheit 108 diese zwei Wirkungen entwirren, was der Fachmann auf einfache Weise erkennt und weiß, wie das zu lösen ist.
Fig. 4 zeigt die Einfügung des Verbindungssystems 100 für elektrische Energie gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Unterstation 200. Die Unterstation 200 verbindet elektrisch ein erstes elektrisches System 222 mit einem zweiten elektrischen System 224. Es ist verständlich, dass das erste elektrische System 222 (bezeichnet als AC Energiesystem #1) und das zweite elektrische System 224 (bezeichnet als AC Energiesystem #2) eine unterschiedliche elektrische Charakteristik(en) haben.
In der Darstellung gemäß Fig. 4 arbeiten beide Systeme/Versorgungseinrichtungen 222 und 224 zufällig bei 230kV. Es sei darauf hingewiesen, dass in anderen Ausführungsbeispielen andere geeignete Spannungen verwendet werden können.
Die von dem System 222 gelieferte Energie tritt in die Unterstation 200 gemäß Fig. 4 über einen Reihen-Leistungskondensator 230 (20 Mvar) ein und wird über einen 100 MVA Generator-Aufwärts(GSU)-Transformator 232 von 230 kV auf 15 kV heruntertransformiert. Die heruntertransformierte Energie aus dem Transformator 232 wird auf der Eingangsleitung 234 an den frequenzvariablen Transformator 102 des Verbindungssystems 100 angelegt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die Eingangsleitung 234 tatsächlich die drei Phasenleiter RA, RB und RC, die mit Kollektorringen 114 verbunden sind. Ein elektrisches Feld und Energie werden auf der Rotoreinrichtung 110 ausgebildet, zum Stator 112 übertragen und von dem Stator 112 auf der Leitung 236 bei 15 kV abgeleitet. Wie aus Fig. 2 verständlich wird, enthält die Ausgangsleitung 236 tatsächlich die drei Phasenleiter SA, SB und SC. Die Ausgangsleistung aus dem Stator 112 auf der Ausgangsleitung 236 wird an einem 100 MVA Generator- Aufwärts (GSU) Transformator 238 von 15 kV auf 230KV hochtransformiert. Die hochtransformierte Leistung aus dem Transformator 238 wird dann über einen Reihen-Leistungskondensator 240 (20 Mvar) dem System 224 zugeführt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung der Steuerung 104 in Verbindung mit Fig. 2 verständlich wird, wie sie in der Unterstation 200 enthalten ist, überwacht das Steuersystem 104 die Frequenzen von sowohl dem System 224 als auch dem System 222, wenn deren Frequenzen durch ihre unterschiedlichen und entsprechenden Frequenzbereiche wandern. Wenn der Energiefluss überwacht wird, erzeugt die Steuerung 104 ein Antriebssignal zum Einstellen der Winkelstellung der Rotoreinrichtung 110, so dass elektrische Energie vom System 222 zum System 224 übertragen werden kann.
Wenn also das System 222 bei 59,9 Hz sein würde und das System 224 bei 60.1 Hz sein würde, würde das Verbindungssystem 100 eine 0,2 Hz Änderung für die Energieübertragung vom System 222 zum System 224 erfordern. Für eine zweipolige Vorrichtung würde die erforderliche Drehgeschwindigkeit für den Drehtransformator 105 120·(0,2)/1 = 12 Umdrehungen pro Minute sein. Wenn diese Frequenzen auch fluktuieren oder wandern, sollte der Drehtransformator 105 üblicherweise auch ±0,50 Hz oder einen Drehzahlbereich von +30 bis -30 Umdrehungen pro Minute (U/Min) für das zweipolige Äquivalent können.
Fig. 5 zeigt die lineare Beziehung zwischen dem Steuerdrehmoment und der Durchgangsleistung zwischen den ersten und zweiten elektrischen Systemen. Für eine konstante Leistung in die Maschine hinein und konstante Leistungsfaktoren der Last ist das entwickelte elektromagnetische Drehmoment konstant. Wenn der Schlupf zwischen den Systemen zunimmt, steigt die U/Min (ωr) an, die erforderlich ist, um sie anzupassen, und das Produkt des Drehmomentes und der Drehzahl ist die Leistung, die von dem Antrieb gefordert wird.
Fig. 6 zeigt die praktischen Leistungfähigkeitskurven des Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Relation zwischen dem Steuerdrehmoment und der Durchgangsleistung ist in Fig. 5 gezeigt. "Durchgangsleistung" ist eine thermische Nennleistung der Maschine, wenn von einem elektromagnetischen Antrieb maximales Drehmoment geliefert wird (z. B. eine maximale Schubnennleistung für ein Schneckengetriebelager). "Durchgangsleistung" ist im wesentlichen durch Material begrenzt, ob die Isolationsklasse für eine Wicklung bzw. eine Materialbeanspruchung zulässig ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das mechanische Drehmoment des Drehtransformators gesteuert, um eine Sollleistungsübertragung von Stator- zu Rotorwicklungen zu erzielen. Die vorliegende Erfindung steht im Gegensatz zu bekannten Techniken, die eine Leistungsübertragung von Rotor- zu Statorwicklungen zu dem Zweck steuerten, das an die Last angelegte Drehmoment (und dadurch ihre Drehzahl) zu steuern. Darüber hinaus sind in der vorliegenden Erfindung sowohl die Rotor- als auch Statorwicklungen für eine volle Leistungsübertragung ausgelegt, wogegen in bekannten Anwendungen die Rotorwicklung nur für einen kleinen Bruchteil der Statorwicklung ausgelegt war.
Es ist wichtig, dass die vorliegende Erfindung das bekannte HGÜ bzw. HVDC Erfordernis vermeidet, Harmonischen- Filterung, Steuerungen und Blindleistungskompensation eng zu koordinieren. Die vorliegende Erfindung sorgt auch in vorteilhafter Weise für eine Einschritt-Wandlung.
In vorteilhafter Weise führt das Verbindungssystem 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine kontinuierliche Phasenverschiebung aus durch Steuern des Rotorwinkels θr (d. h. die Winkelstellung der Rotoreinrichtung 110). Das Verbindungssystem 100 gestattet eine kontinuierliche Einstellung der elektrischen Phase aufgrund seiner möglichen 360º Drehung, was das System zu einem Synchronwandler sehr niedriger Frequenz macht. Darüber hinaus kann das Verbindungssystem 100 wiederholt durch große Winkelverschiebungen verschoben werden, um sehr große elektrische Phasenverschiebungen in einem sich schnell ändernden Leistungszustand auf einem großen System zu erreichen.
Somit wird anders als bei üblichen Drehtransformatoren die Rotoreinrichtung 110 nicht mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht, sondern stattdessen bei einer kontinuierlich variablen Winkelgeschwindigkeit, wie es von dem Steuersystem 104 gefordert wird. Darüber hinaus wird eine bidirektionale Winkelgeschwindigkeit erreicht, da die Rotoreinrichtung 110 sowohl in Uhrzeigerrichtung CW als auch Gegenuhrzeigerrichtung CCW drehbar ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
Während typische Synchronwandler bei einer konstanten, unidirektionalen Winkelgeschwindigkeit von Hunderten oder Tausenden von U/Min laufen, läuft der Drehtransformator 105 des Verbindungssystems 100 üblicherweise, vorwärts oder rückwärts, bei weniger als 50 U/Min.
Das Verbindungssystem 100 sorgt für eine genaue und zuverlässige Phasenverschiebungssteuerung mit der Fähigkeit, Frequenzdrift und Steuerphase in allen vier Quadranten der Steuerung zu folgen. Somit kann das Verbindungssystem 100 nicht nur Energie übertragen, sondern verändert Energie auch rasch, indem eine Phasenverschiebung unter Last herbeigeführt wird.
Obwohl es für seine Verbindungsfunktion beschrieben worden ist, kann das Verbindungssystem 100 auch als ein Energiespeichersystem dienen. Das Verbindungssystem 100 kann verwendet werden, um Energie durch Rotations-Trägheitsmoment zu speichern, um große pulsierende Lasten zu mitteln, ähnlich denjenigen, die in Bogenschmelzeinrichtungen zur Stahlverarbeitung vorhanden sind.
Die Erfindung ist zwar insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden, es wird aber für den Fachmann deutlich, dass verschiedene Abwandlungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Während beispielsweise in der vorstehenden Beschreibung ein elektrisches Versorgungssystem so dargestellt ist, dass es mit Kollektorringen 114 verbunden ist, und ein elektrisches Empfängersystem in der Weise dargestellt ist, dass es mit dem Stator 112 verbunden ist, so sollte doch klar sein, dass diese Verbindungen umgekehrt werden können.

Claims

1. System zum Verbinden erster und zweiter elektrischer Systeme, wobei das Verbindungssystem enthält:

einen Drehtransformator mit einem Rotor, der mit dem ersten elektrischen System verbunden ist, und einem Stator, der mit dem zweiten elektrischen System verbunden ist,

eine Steuereinrichtung zum Einstellen einer Winkelstellung des Drehtransformators, so daß eine vorbestimmte Leistung von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System übertragen wird, wobei die Steuereinrichtung gekennzeichnet ist durch:

ein Winkelstellungs-Regelsystem, das den Drehtransformator betätigt zum Übertragen von Leistung von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System, wobei die Steuereinrichtung enthält:

eine erste Steuereinheit, die ein Soll-Leistungssignal P&sub0; mit einem gemessenen bzw. Ist-Leistungssignal P&sub1; vergleicht, das zwischen dem ersten elektrischen System und dem zweiten elektrischen System übertragen wird, um ein gefordertes Winkelgeschwindigkeitssignal ωo zu generieren,

eine zweite Steuereinheit, die das geforderte Winkelgeschwindigkeitssignal ωo, mit einem gemessenen Winkelgeschwindigkeitssignal ωr des Drehtransformators vergleicht, um ein Treibersignal T&sub0; zu generieren.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung eine Winkelstellung des Drehtransformators so einstellt, daß eine vorbetsimmte Leistung von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System übertragen wird.

3. System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung eine Bandbreite hat, die zum Dämpfen von natürlichen Schwingungen in dem Verbindungssystem gewählt ist.

4. System nach Anspruch 1, wobei das erste elektrische System und das zweite elektrische System eine entsprechende erste elektrische Versorgungsgesellschaft und eine zweite elektrische Versorgungsgesellschaft sind.

5. System nach Anspruch 1, ferner enthaltend: einen Abwärts-Transformator, der mit dem ersten elektrischen System verbunden ist, und einen Aufwärts-Transformator, der mit dem zweiten elektrischen System verbunden ist.

6. System nach Anspruch 5, wobei:

der Rotor mit einem ersten der Abwärts- und Aufwärts- Transformatoren verbunden ist,

der Stator mit einem zweiten der Abwärts- und Aufwärts- Transformatoren verbunden ist, und wobei

das Verbindungssystem ferner eine Drehmoment-Steuereinheit zum Drehen des Rotors aufweist.

7. Verfahren zum Verbinden von zwei elektrischen Systemen, wobei das Verfahren enthält:

Verbinden eines Rotors von einem Drehtransformator mit einem ersten elektrischen System und eines Stators mit einem zweiten elektrischen System,

Einstellen einer Winkelstellung des Drehtransformators, so daß eine vorbestimmte Leistung von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

das Einstellen durch ein Winkelstellungs-Regelsystem ausgeführt wird, das den Drehtransformator betätigt zum Übertragen von Leistung von dem ersten elektrischen System zu dem zweiten elektrischen System, wobei der Einstellschritt ferner enthält:

Vergleichen eines Soll-Leistungssignals P&sub0; mit einem gemessenen bzw. Ist-Leistungssignal P&sub1;, das zwischen dem ersten elektrischen System und dem zweiten elektrischen System übertragen wird, um ein gefordertes Winkelgeschwindigkeitssignal ωo zu generieren,

Vergleichen des geforderten Winkelgeschwindigkeitssignals ωo mit einem gemessenen Winkelgeschwindigkeitssignal ωr des Drehtransformators, um ein Treibersignal T&sub0; zu generieren.