CH658557A5 - Einrichtung zur optimierung des einschwingverhaltens der regelgroesse einer spannungsgeregelten elektrischen maschine. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Optimierung des Einschwingverhaltens der Regelgrösse einer spannungsgeregelten elektrischen Maschine, insbesondere für die Ausgangsspannung eines Synchrongenerators.

Es ist bekannt, dass für die Erregung und Spannungsregelung grosser Wasserkraftgeneratoren Thyristorstromrichter mit elektronischen Regeleinrichtungen eingesetzt werden. Dabei kommt aufgrund von allgemeinen Erfahrungen auf dem Regelsektor, ohne dabei eigentlich näher auf Maschinencharakteristi-ka einzugehen, ein bekanntes System zur Anwendung, nämlich ein proportional integral beschalteter Spannungsregler für die Generatorklemmen mit unterlagertem Polradstromregler.

Bei den ersten konventionellen Erregersystemen mit einer Gleichstrom-Erregermaschine kam dem Spannungsregler nur geringe Bedeutung zu. Einerseits war durch die Anordnung, im besonderen durch Stellwiderstände oder Schaltkontakte, das System von Haus aus sehr träge, andererseits waren die Anforderungen an die Maschinen bezüglich Dynamik und Netzregelungen ohnehin nicht sehr hoch. Mit zunehmender Verma-schung der Netze und durch den Verbundbetrieb von mehreren Kraftwerken wuchsen auch die Anforderungen an die Spannungsregeleinrichtungen. Die im normalen Betrieb gestellten Anforderungen sind vorwiegend Spannungshaltung, Parallelbetrieb mehrerer Maschinen untereinander und mit dem Netz mit stabiler, einstellbarer Blindlastaufteilung. Bei richtiger Bemessung werden diese Forderungen von allen modernen Erregungssystemen und Spannungsreglern grundsätzlich beherrscht.

Wesentliche Erschwernisse treten erst bei aussergewöhnli-chen Betriebszuständen, sowie bei Störungen auf. Lastabschaltungen, die insbesondere bei Wasserkraftgeneratoren mit starkem Drehzahlanstieg verbunden sind, schnelles Ausregeln starker Blindlaststösse bei Phasenschieberbetrieb, Leistungsübertragung über lange Leitungen mit Lastabschaltungen am Ende derselben, Betrieb nahe der statischen Stabilitätsgrenze unter dem eventuellen Einfluss von Zusatzregelungen sind für die Wahl, Auslegung und Bemessung des Erregungssystems von entscheidender Bedeutung. Bei Kurzschlüssen im Netz muss durch schnelle und starke Stosserregung das Hauptfeld des Generators gestützt werden, um nach Fehlerfortschaltungen einen fortlaufenden Betrieb zu ermöglichen oder eine Überstromauslösung sicherzustellen.

Alle diese Forderungen kann eigentlich nur ein schon erwähnter proportional integral beschalteter Spannungsregler erfüllen, wobei der Proportional-Anteil für höhere Dynamik notwendig ist und der Integral-Anteil für die Genauigkeit im statischen Bereich dient. Zur weiteren Erhöhung der Dynamik kann zusätzlich ein Polradstromregler unterlagert werden. Diese Anordnung bringt auf den ersten Blick bei entsprechender Auslegung kurze Ausregelzeiten mit geringem Überschwingen.

Durch diese Anordnung kann jedoch eine Reglerauslegung nur für einen einzigen Belastungsfall optimal sein, z.B. nur für den Leerlauf. Die Forderung nach kurzer Ausregelzeit ist aber gerade für den Leerlauf von untergeordneter Bedeutung, eine wesentliche Aufgabe des Spannungsreglers ist jedoch eine gute Dynamik im Nutzbetrieb.

Die Forderungen nach guter Dynamik für den Leerlauf und für Belastung lassen sich nicht gleichzeitig erfüllen. Dies hat sich auch schon an praktischen Beispielen gezeigt. Würde man den Regler bei Belastung schneller machen, so hätte er im Leerlauf eine Tendenz zur Unstabilität.

Der herkömmliche Regler ist somit in seiner Grundidee, Proportional-Integral-Glied mit unterlagertem Polradstromregler, zwar richtig, er hat aber doch einige wesentliche Nachteile.

Wie schon erwähnt kann durch die gewählte Beschaltung der Operationsverstärker, die meist erst bei der Inbetriebsetzung durch Versuche festgelegt wird, die Übergangsfunktion der Reglerglieder nur für einen einzigen Belastungsfall optimal sein, da sich die Maschinenzeitkonstante und die Verstärkung der Strecke mit der Belastung stark ändert.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Integrationszeit ziemlich gross sein muss, damit bei Polrad-Deckenspannung, der Integrator nicht oder nur wenig «wegläuft». Sie kann also für dynamische Betrachtungen nicht herangezogen werden, sondern dient lediglich der Genauigkeit im statonären Fall. Das bringt aber gerade bei Netzbetrieb Ausregelzeiten von mehreren Sekunden, was bei elektronischen Einrichtungen vermieden werden soll.

Ein weiterer Nachteil ist, dass bei grossen Laststössen oder beim Auferregen des Generators von Null bis Nennspannung längere Zeit die Polrad-Deckenspannung ansteht. Trotz einer grossen Zeitkonstante des Integrators wandert dieser dennoch aus und verursacht ein hohes Überschwingen des Istwertes. Es sind daher Kunstschaltungen, wie z.B. Überbrücken des Integrators bis 70% Nennspannung oder Polradstrombegrenzungen oder ähnliches, notwendig.

Will man trotzdem gute Dynamik erreichen, so müsste man die Verstärkung des Proportionalteiles hoch wählen, was wiederum eine Neigung zur Instabilität hervorruft.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Einrichtung zu schaffen, bei welcher unabhängig von der Belastung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Synchrongene5

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rators, das Verhalten des Gesamtregelkreises, also des Reglers und der Strecke, möglichst immer gleich und vor allem bei Nutzbetrieb dynamisch optimal ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Einschwingzeit des Regelkreises gegenüber bekannten Regeleinrichtungen in den verschiedenen Belastungszu-ständen zu verkürzen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung gelöst.

Mit der erfindungsgemässen Einrichtung ist es erstmals möglich, den Regler, also den Strom- und Spannungsregler, in bezug auf seine Adaption auf die veränderliche Strecke, schnell auf die Streckenparameter einzustellen.

Weiters werden auch keine Testsignale, ausser den betriebs-mässig vorhandenen Signalen verwendet, wodurch der normale Betrieb nicht gestört wird.

Die notwendigen Beschaltungen der Operationsverstärker der Regler lassen sich bereits bei der Projektierung aus den Maschinendaten bzw. aus den Daten der Modellfunktion numerisch berechnen und nicht erst bei der Inbetriebsetzung durch Versuche ermitteln.

Ausserdem wird bei länger anstehender Polrad-Deckenspannung oder bei Sättigungserscheinungen eines der Regelkreisglieder das Regelverhalten weder unstabil noch dynamisch schlechter.

Von Vorteil ist, dass der Spannungsregler ein proportional integral beschalterer Operationsverstärker und der Stromregler ein proportional beschalteter Operationsverstärker ist. Dadurch ist die gesamte Schaltung für den selbsteinstellenden bzw. adaptiven Regler so einfach, dass sie genügend robust ist und zu einem vernünftigen Preis gefertigt werden kann.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Modellfunktionen, die Additionsstelle und die Rückführung mit entsprechend beschalteten Operationsverstärkern nachgebildet. Dadurch ist nur ein geringer Platzbedarf erforderlich, wodurch eine Unterbringung des adaptiven Zusatzes gleich beim Regler oder auf der Reglerplatine möglich ist. Weiters sind die Mehrkosten für den adaptiven Teil dadurch sehr gering.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Modellfunktion, die Additionsstelle und die Rückführung mit einem Programm in einem Digitalrechner nachbildbar sind. Dadurch wird eine sehr hohe Genauigkeit erreicht und weiters ist auch eine Nachbildung komplizierter Modellfunktionen leicht möglich.

Anhand der Zeichnungen soll nun die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Regelkreises als Blockschaltbild dargestellt. Fig. 2 zeigt die Übergangsfunktion bei einem Sollwertsprung und gleichzeitigem Ansprechen der nicht linearen Begrenzer. In Fig. 3 ist die 1. Ableitung der Übergangsfunktion aus Fig. 2 über der Zeit als Zustandsvariable dargestellt und Fig. 4 zeigt die Übergangsfunktion in der Phasenebene.

Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Regelkreises ist somit in Fig. 1 mit einem Spannungsregler (7), einem Stromregler (9), Begrenzern (8, 10), einer Modellfunktion (15) mit zugehöriger Rückführung (16) und einem Generator (4) mit nachgeschaltetem Istwertumsetzer (14), dargestellt.

An die Subtraktionsstelle (1) ist die Führungsgrösse bzw. der Sollwert (2) und der Istwert (3) angelegt, der als Ausgangssignal des Istwertumsetzers (14) proportional zu der Ausgangs-grösse der zu regelnden elektrischen Maschine (4) ist, im besonderen ein Synchrongenerator. Die Ausgangsgrösse (5) der Subtraktionsstelle (1) ist die Regeldifferenz, welche an eine weitere Subtraktionsstelle (6), dessen Ausgangsgrösse an den z.B. proportional integral beschalteten Spannungsregler (7) anliegt. Der Spannungsregler (7) weist parallel einen Begrenzer (8) auf, welcher an die Subtraktionsstelle (6) angeschlossen ist. Weiters ist der Serienschaltung aus dem Spannungsregler (7) und einem z.B. proportional beschalteten, Stromregler (9) eine Rückführung bestehend aus dem Begrenzer (10) parallel geschaltet, dessen Ausgangssignal ebenfalls an die Subtraktionsstelle (6) ange-s legt ist. Dem Stromregler (9) ist ein Stellglied (11) nachgeschaltet. Dieses besteht aus einem Gittersteuersatz und einer Thyristorbrücke, welche die Erregerspannung des Generators (4) steuert. Der Generator (4) ist als Feldübertragungsfunktion (12) und Ständerübertragungsfunktion (13) dargestellt. Danach folgt io noch ein Istwertumsetzer (14), welcher die Ausgangsspannung des Generators (4) auf Elektronikniveau bringt.

Ausserdem weist der Regelkreis noch einen adaptiven Zusatz auf, welcher aus einer Modellfunktion (15) und einer Rückführung (16) besteht. Die Modellfunktion (15) ist parallel 15 der Serienschaltung von Stromregler (9), Stellglied (11), Generator (4) und Istwertumsetzer (14) geschaltet und bildet die Übertragungsfunktion dieser Serienschaltung nach. An einer Additionsstelle (17) im Regelkreis wird die Ausgangsgrösse der Modellfunktion (15) mit der, zu dieser invertierten Ausgangs-20 grosse des Istwertumsetzers (14) verglichen. Bei Auftreten einer Differenz wird diese über die Rückführung (16) und einer Sum-mationsstelle (18) an den Eingang des Stromreglers (9) herangeführt. Diese Summationsstelle (18) ist nach der Abzweigstelle der Modellfunktion (15), also direkt am Eingang des Stromreg-25 lers (9) angeordnet.

Zur weiteren Erklärung folgt nun noch eine Funktionsbeschreibung des Regelkreises. Man muss dabei unterscheiden zwischen einem Ansprechen der Begrenzer, wodurch einzelne Übertragungsglieder, im besonderen der Spannungsregler oder 30 das Stellglied in den nichtlinearen Bereich übergehen und einem Arbeiten des Regelkreises im linearen Bereich.

Als erstes soll die Funktionsweise im linearen Bereich kurz erläutert werden. Die Modellfunktion (15) ist parallel zur Serienschaltung, bestehend aus Stromregler (9), Stellglied (11), 35 Generator (4) und Istwertumsetzer (14) geschaltet. Diese Modellfunktion (15) ist so aufgebaut, dass bei einem bestimmten Belastungsfall des Generators (4) das Ausgangssignal des Istwertumsetzers (14) dem Betrag nach gleich dem Ausgangssignal der Modellfunktion (15) ist.

40 Es weist bei dieser Belastung die Modellfunktion (15) dasselbe Übertragungsverhalten, wie die parallel geschaltete Serienschaltung auf. Die beiden Ausgangssignale, jenes der Modellfunktion (15) und jenes des Istwertumsetzers (14), von denen eines invertiert ist, werden an der Additionsstelle (17) verglichen. 45 Bei der bestimmten Belastung des Generators (4) ist die Abweichung an der Additionsstelle (17) Null und es gelangt kein Zusatzsignal über die Rückführung (16) an die Additionsstelle (18), direkt am Eingang des Stromreglers (9).

Für den Leerlauf und für Nennbelastung sowie für alle anso deren Belastungsfälle, welche nicht dieser vorgewählten Belastung entsprechen, ergibt sich eine Abweichung der beiden Ausgangssignale bzw. eine Abweichung im Übertragungsverhalten, und somit gelangt auch ein Zusatzsignal an die Additionsstelle (18). Durch dieses Zusatzsignal und somit durch den gesamten 55 adaptiven Teil wird bei Auftreten einer Regelabweichung das Ausregeln wesentlich beschleunigt und ist für alle Belastungsfälle annähernd gleich.

Weiters soll nun die Funktionsweise des Regelkreises bei Ansprechen der Begrenzer (8) und/oder (10) erklärt werden. 60 Die Analyse in der Phasenebene eignet sich besonders für die Beschreibung des Übergangsverhaltens des Regelkreises. Sie wurde daher zur Funktionsbeschreibung bei Ansprechen der Begrenzer herangezogen.

Die Fig. 2 zeigt das Übergangsverhalten der Regelgrösse x 65 bei einem Sollwertsprung und einem Ansprechen der nichtlinearen Begrenzer (8, 10). Auf der Ordinate ist die Regelgrösse x aufgetragen, wobei xi der neue Zustand auf welchen die Regelgrösse einschwingen soll, ist, und auf der Abszisse die Zeit t.

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In der Fig. 3 ist die 1. Ableitung der Regelgrösse x über der Zeit t ersichtlich. Letztlich ist in Fig. 4 die 1. Ableitung der Regelgrösse über der Regelgrösse x aufgetragen.

Die Fig. 4 zeigt, dass beim Ansprechen einer der nichtlinearen Begrenzer (8, 10), also beim Erreichen der maximalen Steuergrenze des Spannungsreglers (7), des Stromreglers (9) oder des Stellgliedes (11), welches der Leistungsteil ist, dessen maximale Steuergrenze, infolge der Proportionalverstärkung auch an seinem Eingang abgenommen werden kann, in der Phasenebene eine Schaltgerade (19) geschnitten wird. Die Schaltgerade (19) kommt dadurch zustande, dass die nichtlinearen Begrenzer (8, 10) ähnlich wie zwei Schmitt-Trigger arbeiten und zwar so, dass bei Erreichen eines gewissen Spannungswertes, im besonderen der positiven oder negativen Deckenspannung des Spannungsreglers (7), des Stromreglers (9) oder des Leistungsteiles (11) einer der Begrenzer (8, 10) sprunghaft eine positive oder negative Ausgangsspannung annimmt. Die beiden Begrenzer (8, 10) sind so beschaltet, dass ihr Ausgangssignal, welches an der Subtraktionsstelle (6) anliegt, immer invertiert gegenüber dem an dieser Stelle anstehenden Signal (5) ist, welches die Regeldifferenz darstellt.

Denkt man sich zwecks besserer Anschauung die Schaltgerade (19) als zwei eng beisammenliegende Geraden, so pendeln die Trajektorien zwischen diesen beiden Geraden hin und her,

und zwar so lange, bis jene Trajektorie erreicht ist, welche in den neuen Zustand xi ohne weiteren Schnittpunkt mit einer der Schaltgeraden (19) übergeht. Das Ziel für die, die beiden Schaltgeraden (19) schneidenden Trajektorien ergibt sich aus s der Grösse der Ausgangsspannung der nichtlinearen Begrenzer (8, 10).

Wenn man beide Schaltgeraden (19) wieder als eine Schaltgerade (19) wie in Fig. 4 dargestellt betrachtet, dann wandert die Regelgrösse x beim Ansprechen einer der nichtlinearen Belo grenzer (8, 10) entlang dieser Schaltgeraden (10) mit maximal möglichem Anstieg der Regelgrösse x und zwar so weit, bis wieder der lineare Bereich erreicht werden kann. Die zuletzt durchlaufene Trajektorie (20) hat wesentlich geringeres Überschwingen als die erste Trajektorie (21).

15 Der Regler wird also beim Ansprechen der nichtlinearen Begrenzer (8, 10) durch die Rückführung in seinem Zustand sozusagen «eingefroren», wobei beim Entfernen von dieser Schaltgeraden (19), also von der Grenze zum nichtlinearen Bereich, der Verlauf der Regelgrösse x einer um den nichtlinearen Be-20 reich verminderten Sprungantwort Ax entspricht. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Sprungantwort Ax mathematisch durch die Beziehung Ax = Xi - xn ausgedrückt werden kann. Hierbei ist also xN jener Bereich, in dem einer der nichtlinearen Begrenzer (8, 10) anspricht.

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1 Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Einrichtung zur Optimierung des Einschwingverhaltens der Regelgrösse einer spannungsgeregelten elektrischen Maschine, insbesondere für die Ausgangsspannung eines Synchrongenerators, dadurch gekennzeichnet, dass einem Stromregler (9) ein Stellglied (11), eine Regelstrecke, welche die elektrische Maschine (4) ist, und dieser ein Istwertumsetzer (14) nachgeschaltet ist, und dass am Eingang des Stromreglers (9) eine Additionsstelle (18) angeordnet ist, an welcher das Ausgangssignal einer Rückführung (16) ansteht, und dass am Eingang dieser Rückführung (16) das Ausgangssignal einer weiteren Additionsstelle (17) anliegt, an welcher das Ausgangssignal einer Modellfunktion (15), deren Eingang an einer Abzweigstelle vor der Additionsstelle (18) am Eingang des Stromreglers (9) angeschlossen ist, und das Ausgangssignal des Istwertumsetzers (14), welches invertiert ist und bei einem bestimmten Belastungsfall dem Ausgangssignal der Modellfunktion (15) entspricht, jedoch bei jedem anderen Belastungsfall am Ausgang der Additionsstelle (17) eine Restabweichung ergibt, addierbar sind, und dass vor der Abzweigstelle der Modellfunktion (15) ein Spannungsregler (7) angeordnet ist, welchem antiparallel ein Begrenzer (8) angeordnet ist, dessen Ausgang an eine Subtraktionsstelle (6) am Eingang des Spannungsreglers (7) angeschlossen ist, und dass ausserdem ein weiterer Begrenzer (10) vom Ausgang des Stromreglers (9) ebenfalls an diese Subtraktionsstelle (6) geführt ist, und dass eine weitere mit der Subtraktionsstelle (6) verbundene Subtraktionsstelle (1) vorgesehen ist, an die das Ausgangssignal des Istwertumsetzers (14) und ein Signal, welches dem Sollwert (2) der Regelgrösse entspricht, gelangen.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (7) ein proportional integral beschal-terer Operationsverstärker und der Stromregler (9) ein proportional beschalteter Operationsverstärker ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellfunktion (15), die Additionsstelle (17) und die Rückführung (16) mit entsprechend beschalteten Operationsverstärkern nachgebildet sind.
4. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellfunktion (15), die Additionsstelle (17) und die Rückführung (16) mit einem Programm in einem Digitalrechner nachbildbar sind.