DE4339340C2 - Schaltung zur Minimierung des Blindleistungsaustauschs zwischen Fremd- und parallelem Eigennetz bei Vorhandensein eines Generators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Minimierung des Blindleistungsaustauschs zwischen Fremd- und parallelem, von einem Generator mit Spannungsregler gespeisten Eigennetz, wobei eine Stabilisierungseinrichtung vor­ gesehen ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Eigen­ netze, die mit einem öffentlichen Netz gekuppelt sind, wobei in den Eigennetzen Stromverbraucher mit stark schwankendem Blindleistungsbedarf installiert sind, wie er z. B. bei Stromrichterantrieben für Fördermaschinen und Walzwerke auftritt.

Blindstrom leistet zwar keine Arbeit, verursacht aber in Generatoren, Kabeln, Freileitungen und Transfor­ matoren Verluste, die im Kraftwerk als Wirkleistung erzeugt werden müssen. Aus diesem Grunde und weil diese Verluste von der Phasenlage des Stromes unabhängig sind, haben die Elektrizitätswerke ein Interesse daran, daß die Verbraucher die Leistung mit einem möglichst kleinen Phasenwinkel (cos ϕ ca. 1) abnehmen, d. h. ihre Blindstromentnahme durch Konden­ satoren oder übererregte Synchronmaschinen kompen­ sieren. Bei überhöhtem Blindstrombezug müssen größere Verbraucher im allgemeinen die Blindarbeit nach einem besonderen Tarif bezahlen.

Auch die Lieferung von Blindarbeit aus dem eigenen ins öffentliche Netz ist unwirtschaftlich, da sie in den eigenen Generatoren und im eigenen Netz Verluste erzeugt, die wiederum vom Energieversorgungsunternehmen hier nicht bezahlt werden.

Hieraus folgt, daß der Blindstromaustausch zwischen Verbraucher und Energieversorgungsunternehmen mög­ lichst gering sein sollte.

Generatoren, die mit weiteren Generatoren oder mit Fremdnetzen parallel arbeiten sollen, müssen eine Stabilisierungseinrichtung ("Statik") besitzen, ohne die ein Parallelbetrieb nicht möglich wäre. Der Grund dafür ist folgender:

Jeder Generator hat einen Spannungsregler, der dafür sorgt, daß die Spannung im Netz nicht nennenswert vom vorgegebenen Sollwert abweicht. Ein solcher Regler besitzt meist Integralverhalten.

Es ist aber nicht möglich, die Soll-Spannungen für solche Spannungsregler zweier Generatoren genau auf gleiche Werte, bzw. auf die vom Fremdnetz meist sehr starr vorgegebenen Spannung einzustellen. Die Folge ist, daß ein Spannungsregler z. B. eine zu niedrige Spannung sieht und deshalb den Generator stärker erregt, ohne die Spannung wesentlich beeinflussen zu können. Das führt dazu, daß der Generator stetig mehr Blindstrom erzeugt und schließlich durch Überlast abgeschaltet wird.

Sieht der Spannungsregler dagegen eine zu hohe Spannung, so wird er die Generatorerregung laufend verringern, ebenfalls ohne wesentlichen Einfluß auf die Netzspannung zu nehmen, der Generator reduziert zuerst seine Blindstromerzeugung bis auf Null und bezieht schließlich soviel Blindstrom, daß er wieder durch Überlast abgeschaltet wird. Evtl. fällt er bereits vorher "außer Tritt" und wird wegen des dann auf­ tretenden kurzschlußartigen Stromes ebenfalls abge­ schaltet werden.

Festzuhalten ist, daß der Zusatzstrom bei Über- oder Untererregung stets ein Blindstrom ist.

Nach DE 38 33 719 C1 ist eine Stromerzeugungsanlage bekannt, bei der ein Asynchrongenerator mit wechselnder Drehzahl über einen Stromzwischenkreis-Umrichter mit dem Netz verbunden ist. Bei Netzbetrieb wird die benötigte Blindleistung aus dem Netz bezogen, wobei in groben Stufen die bezogene Blindleistung durch Zu- und Abschaltung von Festkonden­ satoren parallel zu den Verbrauchern beeinflußt wird. Für die Steuerung der Kondensatoren wird ein handelsüblicher Regler verwendet. Eine kontinuierliche Blindleistungsregelung im Netzbetrieb ist mit dieser Schaltung nicht möglich.

Eine Schaltung bei der der Spannungsistwert für den Spannungsregler eines Generators aus einem Spannungswandler entnommen wird, ist in Buchhold/Happoldt: Elektrische Kraftwerke und Netze, 1963, Abb. 88, S. 93 beschrieben. Diese Spannung wird durch eine Spannungskomponente ergänzt, die aus dem Spannungsabfall des Generatorstroms aus einem Widerstand gewonnen wird (normale Statik). Die Schaltung dient ausschließlich der stabilen Spannungsregelung des Generators bei Parallelbetrieb mit einem Fremdnetz. Eine Blindleistungsregelung findet nicht statt.

Nach Elektrizitätswirtschaft, Heft 6 vom 20.03.1959, S. 179, ist bekannt, daß der mit dem Netz parallel arbeitende Generator unbeschadet seiner Wirkbelastung mindestens in den Tagesbelastungszeiten bis zum vollen Nennstrom erregt werden soll, um den Blindleistungsbezug weitest­ möglich einzuschränken und eine zufriedenstellende Spannungsschaltung zu gewährleisten. Eine Minimierung des Blindleistungsaustauschs ist damit nicht verbunden.

Eine firmenintern bekannte Stabilisie­ rungseinrichtung schafft hier wie folgt Abhilfe.

Es wurde bereits gezeigt, daß bei Höhererregung ein Generator 5 mehr, bei Aberregung aber weniger Blindstrom erzeugt.

Durch die Stabilisierungseinrichtung (Statik) wird zum eigentlichen Spannungs-Istwert der Spannungs­ abfall an einem Widerstand 4 addiert, der von einem dem Generatorstrom proportionalen Strom (über Generator-Strom­ wandler 1) durchflossen wird (Fig. 1).

Ströme und Spannungen werden so ausgewählt, daß sie bei reiner Wirkstromerzeugung des Generators 5 in der Phase um 90° gegeneinander verdreht sind, bei reiner Blindstromerzeugung liegen sie in Phase.

Der Sinn der "Statik" ist, daß der Spannungsregler 3, wenn er eine höhere Spannung fordert, der Generator 5 sie aber nicht erreichen kann, weil das Netz zu starr ist oder ein zweiter Generator-Spannungsregler seinen. Generator zum Gegensteuern veranlaßt, zufrieden ist, wenn statt einer Spannungserhöhung der Generator 5 einen größeren Blindstrom liefert. Andererseits akzeptiert der Spannungsregler 3 statt einer - nicht erreichbaren - Spannungsabsenkung eine Verringerung der Blindstromerzeugung des Generators 5.

Zur Stabilisierung des Spannungsreglers 3 ist bekannt, zum Spannungsistwert eine Spannung zu addieren, die aus dem Spannungsabfall des Generatorstroms am Widerstand 4 gewonnen wird. Hierdurch wird erreicht, daß bei begrenzter Möglichkeit zur Spannungsbeein­ flussung statt z. B. einer Spannungserhöhung eine Vergrößerung der Blindstromerzeugung aus dem Genera­ tor 5 vom Spannungsregler 3 akzeptiert wird.

Stand der Technik ist weiterhin (Fig. 2), dem Spannungs­ regler 3 mit Statik einen cos ϕ-Regler 8 nachzuschalten. Hierbei werden dem cos ϕ-Regler die Generatorspannung und der Strom des Netz-Stromwandlers 7 aufgeschaltet. Hiermit beeinflußt er den Spannungsregler 3. Eine derartige Schaltung ist überaus kompliziert und teuer und hat wegen integrierter Meßumformer und Stell­ widerstände eine große Zeitkonstante.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die schneller, genauer und mit geringerem Aufwand in der Lage ist, auf Blindleistungsspitzen zu reagieren und den Blindleistungsaustausch zu minimieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Strom für die Stabilisierungseinrichtung wird dem Netz-Stromwandler im Übergabepunkt zwischen Fremd- und Eigennetz entnommen, wobei der Übergabepunkt einen Netz-Stromwandler aufweist.

Nach einem Merkmal der Erfindung besitzt der Genera­ tor einen Generator-Stromwandler, wobei bei Inselbetrieb der Spannungsregler des Generators den Strom für die Stabilisierung dem Generator-Stromwand­ ler entnimmt.

Im Gegensatz dazu wird im Netzbetrieb der Strom für die Stabilisierungseinrichtung dem Netz-Stromwandler entnommen.

Bei Kurzschluß im Eigennetz ist vorgesehen, daß trotz weiterer Verbindung mit dem Fremdnetz der Spannungs­ regler den Strom für die Stabilisierung dem Genera­ tor-Stromwandler entnimmt.

Die Regelung der Übergabeblindleistung erfolgt der­ art, daß parallel zur Sekundärseite des Netz-Stromwandlers im Übergabepunkt ein Zusatzwiderstand geschaltet ist, wobei bei Netzbetrieb der Spannungsabfall an dem Widerstand zur Spannung des Generator-Spannungswand­ lers addiert wird und die Summe als Spannungsistwert mit dem Spannungssollwert des Spannungsreglers ver­ glichen wird.

Bei Netzbetrieb erfolgt die Regelung der Übergabe­ blindleistung derart, daß durch eine Vergrößerung des Blindstrombezuges eine Spannungsabsenkung vorge­ täuscht wird, auf die der Spannungsregler mit einer stärkeren Erregung reagiert und somit eine erhöhte Blindstromproduktion des Generators erfolgt, die das vorher eingetretene Blindstromdefizit ausgleicht.

Bei Inselbetrieb wird für die Stabilisierungsein­ richtung der Spannungsabfall des Generatorstroms (Generator-Stromwandler) am Widerstand zum Spannungsistwert addiert und die Summe mit dem Spannungssollwert des Spannungsreglers verglichen.

Durch eine Veränderung des Widerstandswertes kann die Empfindlichkeit der Regelung beeinflußt und eine gegebenenfalls vorhandene Schwingungsneigung des Systems beseitigt werden.

Mit einer solchen Einrichtung wurde in einem Netz mit ca. 15 MW Verbrauch, wovon 10 MW aus Eigenerzeugung stammen, sowie einem Stromrichterantrieb, der alle 70 Sekunden eine Blindverbrauchspitze von 3,5 MvAr zieht, ein cos ϕ von besser als 0,99 im Monatsmittel erreicht.

Fig. 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Stabilisierung des Spannungsreg­ lers;

Fig. 2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Regelung des Blindleistungsaus­ tauschs mit dem Fremdnetz;

Fig. 3 zeigt den cos ϕ-Regler gemäß Fig. 2;

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Schaltung;

Fig. 5 zeigt die Schaltung gemäß Fig. 4 in verein­ fachter Darstellung ohne Generator.

Fig. 1 zeigt die Schaltung zur Stabilisierung des Spannungsreglers 3. Hierbei wird zum Spannungsistwert eine Spannung addiert, die aus dem Spannungsabfall des Generatorstroms (Generator-Stromwandler 1) im Widerstand 4 gewonnen wird. Hierdurch wird erreicht, daß bei begrenzter Möglichkeit zur Spannungsbeeinflussung statt z. B. einer Spannungserhöhung eine Vergrößerung der Blindstromerzeugung aus dem Generator 5 vom Spannungsregler 3 akzeptiert wird.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung zur Regelung des Blindleistungsaustauschs ist ein cos ϕ-Regler 8 dem Spannungsregler 3 mit Statik nachgeschal­ tet.

Die komplizierte und teure Schaltung des cos ϕ-Reg­ lers 3 selbst ergibt sich aus Fig. 3.

Die erfindungsgemäße Schaltung (Fig. 4) unterscheidet sich von der Schaltung nach dem Stand der Technik im wesentlichen dadurch, daß hier ein cos ϕ-Regler entfällt und statt dessen ein mit dem Widerstand 4 in Reihe geschalteter weiterer Widerstand 9 vor­ gesehen ist, der mit dem Netzstromwandler 7 in Verbindung steht. Bei Inselbetrieb wird der weitere Wider­ stand 9 kurzgeschlossen, was im einzelnen dadurch geschieht, daß der Schalter parallel zum weiteren Wider­ stand 9 geschlossen wird; in diesem Fall findet keine Beeinflussung der Blindleistungsschwankung statt. Demgegenüber wird bei Netzbetrieb der Wider­ stand 4 kurzgeschlossen, wobei hierdurch die Über­ gabeblindleistung geregelt wird. Die Regelung der Übergabeblindleistung erfolgt derart, daß durch eine Verringerung der Blindstromerzeugung bzw. eine Ver­ größerung des Blindstrombezuges eine Spannungsab­ senkung vorgetäuscht wird, auf die der Spannungsreg­ ler mit einer stärkeren Erregung reagiert und somit eine erhöhte Blindstromproduktion erfolgt. Wenn nun für die Statik, bei der Ströme und Spannungen so gewählt werden, daß sie bei reiner Wirkstromerzeugung des Generators 5 in der Phase um 90° gegeneinander ver­ dreht sind, nicht der Generatorstrom, sondern der Strom am Übergabepunkt genutzt wird, reagiert der Spannungsregler 3 auf einen erhöhten Bezug an Blind­ strom mit einer Erhöhung der Generatorerregung, d. h. die Blindstromerzeugung wird soweit erhöht, daß sie den vorher erhöhten Bezug an Blindstrom kompensiert.

Aus Fig. 5 ergibt sich im einzelnen die parallele Schaltung des Widerstands 4 zum Generator- Stromwandler 1 bei Schaltungszustand "Inselbetrieb wirksam", bzw. die parallele Schaltung des Netzstrom­ wandlers 7 mit dem weiteren Widerstand 9 bei Schal­ tungszustand "Netzbetrieb wirksam".

Bei Netzbetrieb sind Generator-Stromwandler 1 und Widerstand 4 kurzgeschlossen und damit unwirksam; die Statik hängt jetzt nur vom Netzstrom ab. Hierbei wird der Span­ nungsabfall am weiteren Widerstand 9 zur Spannung des Gene­ rator-Spannungswandlers 2 addiert und die Summe als Spannungsistwert mit dem Spannungssollwert des Span­ nungsreglers 3 verglichen.

Es wird durch Vergrößerung des Blindstrombezuges eine Spannungsabsenkung vorgetäuscht, auf die der Span­ nungsregler 3 mit einer stärkeren Erregung reagiert und somit eine erhöhte Blindstromproduktion des Gene­ rators hervorgerufen wird, die das vorher eingetrete­ ne Blindstromdefizit ausgleicht.

Bei Inselbetrieb sind Nezt-Stromwandler 7 und weiterer Widerstand 9 kurzgeschlossen, hingegen Stromwandler 1 und Widerstand 4 offen. Hierbei wird für die Statik der Spannungsabfall des Generatorstroms am Widerstand 4 zur Spannung des Generator-Spannungswandlers 2 addiert und die Summe als Istwert mit dem Spannungs­ sollwert des Spannungsreglers 3 verglichen.

Claims (3)

1. Schaltung zur Minimierung des Blindleistungsaustauschs zwischen Fremd- und parallelem, von einem Generator (5) mit Spannregler (3) gespeisten Eigennetz, wobei zur Stabilisierung des Spannungsreglers (3) in den Sekundärstromkreis eines Generator-Stromwandlers (1) ein Widerstand (4) geschaltet ist, dessen Spannungsabfall zum sekundären Spannungsistwert eines Generator-Spannungswandlers (2) addierbar und dem Spannungsregler (3) zuführbar ist, wobei in den Netz-Stromkreis ein Netz-Stromwandler (7) geschaltet ist, der in seinem Sekundär-Stromkreis einen weiteren Widerstand (9) enthält, der seinerseits mit dem Widerstand (4) in Reihe geschaltet ist und jeweils einer dieser Widerstände (4, 9) über je einen parallel geschalteten Kontakt kurzschließbar ist, wobei bei Inselbetrieb nur der weitere Widerstand (9) und bei Netzbetrieb nur der Widerstand (4) kurzgeschlossen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstände (4, 9) Stellwiderstände sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten von Generator-Überstrom bei Netzbetrieb ein dem Generator (5) zugeordnetes Überstromrelais den den weiteren Widerstand (9) überbrückenden Kontakt schließt gleichzeitig den den Widerstand (4) überbrückenden Kontakt öffnet und so bis zum Verschwinden des Überstroms auf Inselbetrieb umschaltet.