DE69005647T2

DE69005647T2 - System zum ableiten elektrischer energie von einer hochspannungs-gleichstrom-übertragungsleitung.

Info

Publication number: DE69005647T2
Application number: DE69005647T
Authority: DE
Inventors: Aake Ekstroem
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1989-06-19
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2010-06-16
Also published as: SE8902204D0; DE69005647D1; CA2056383A1; JPH04506146A; SE463953B; CA2056383C; SE8902204L; US5187651A; ES2047336T3; EP0509991B1; WO1990016104A1; EP0509991A1; RU2089986C1

Description

Es ist zunehmend gebräuchlicher geworden, hochgespannten Gleichstrom für die Übertragung elektrischer Energie über lange Entfernungen zu verwenden, insbesondere wegen der damit verbundenen geringeren Leitungskosten. Ein großer Teil der Kosten für ein solches System wird durch die Stromrichter und die Transformatoren verursacht. Folglich ist es nicht realistisch, mehrere vollständige Entnahmestationen relativ geringer Leistung längs einer solchen Hochspannungsleitung vorzusehen.
Für die Entnahme, das heißt die Abzapfung, geringer Leistungen, typischerweise Leistungen von weniger als 10 % der gesamten übertragenen Leistung, wurde vorgeschlagen, Entnahmestationen in dem Gleichstromkreis in Reihe zu schalten, wobei die Leistungsentnahme oder -abzapfung einem Leitungsspannungsfall entspricht. Die einfachste dieser Lösungen erfordert die Reihenschaltung von dreiphasigen Stromrichterbrücken in Reihe mit dem Gleichstromkreis. Die Stromrichterbrücke wird direkt über einen Transformator an das Dreiphasennetz angeschlossen. Die Brücke ist netzkommutiert, das heißt, daß die Kommutierung der Ventile mit Hilfe der Wechselspannung des Dreiphasennetzes erfolgt (siehe DE-B- 1813853).
Ein erster Nachteil von Systemen dieser Art besteht darin, daß die Netzkommutierung Synchronmaschinen erfordert, wodurch die Lösung im Falle kleiner oder mittelgroßer Netze kostspielig wird. Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß der Transformator im Verhältnis zur Leistung teuer ist, während ein dritter Nachteil darin besteht, daß die Störungen und Interferenzen im Wechselstromnetz zu Störungen des Kommutierungsvorganges im Stromrichter und damit in dem Hauptnetz führen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Reihen-Energieentnahmesystem zu schaffen, bei welchem die genannten Nachteile beseitigt sind. Ein anderes Ziel besteht darin, ein Energieentnahmesystem zu schaffen, welches die Entnahme kleiner Leistungen für kleinere Netze in einer ökonomisch brauchbaren Weise ermöglicht. Dies ist sehr wichtig im Falle eines öffentlichen Versorgungsunternehmens, welches wenig Verständnis für seinen Widerstand dagegen erwarten kann, elektrischen Strom an dünn besiedelte Gebiete zu liefern, durch welche die kostspielige Stromleitung verläuft.
Diese und andere Ziele werden gemäß der Erfindung durch ein System erreicht, welches die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
Die Erfindung ermöglicht es, eine kleine Energiemenge aus dem großen HVDC-Netz mit relativ preiswerten Komponenten zu entnehmen, so daß die Kosten für diese Lieferung annehmbar sind. Alles was an die Hochspannungsleitung angeschlossen werden muß, ist eine Stromrichterbrücke mit zugehöriger Kommutierung-Ausrüstung, die über optische Fasern vom Erdpotential aus gesteuert wird, sowie die Primärwicklung des Transformators, wobei diese Wicklung nur einen Spannungsfall aufzunehmen braucht, welcher der abgegebenen oder abgezapften Leistung entspricht.
Um diese Konzepte auszugestalten, kann man einen Fall annehmen mit einem HVDC-Netz bekannter Art mit einer Spannung von ±500 kV und einem maximalen Strom von 1.600 A. An den Leiter dieses Netzes wird eine erste Stromrichterbrücke und die Primärwicklung eines Transformators angeschlossen. Beide Teile können einphasig sein. Die Primärwicklung muß imstande sein, den gesamten Strom von maximal 1.600 A aufzunehmen und soll für 500 kV gegen den Transformatorkern isoliert sein. Andererseits ist es nicht notwendig, daß die zwischen den Enden der Wicklung anliegende Spannung größer ist als eine Spannung, die der abgegebenen Leistung entspricht, beispielsweise maximal 50 kV bei einer maximalen Leistung von 80 MW. Die Kosten für den Transformator können auch verkleinert werden, wenn dem entnommenen Wechselstrom eine höhere Frequenz als die normale Netzfrequenz gegeben wird, zum Beispiel eine Frequenz von 120 bis 150 Hz. An der Sekundärseite des Transformators können dann beispielsweise bei 40 kV ein Strom von 2 kA abgenommen werden, der durch einem zweiten zwangskommutierten Stromrichter auf eine lokale Gleichspannung von 40 kv gleichgerichtet werden. Vorzugsweise wird aus dieser Gleichspannung eine Dreiphasenspannung mittels eines dritten Stromrichters gewonnen, der die Frequenz, entsprechend dem jeweils aktuellen Fall, durch Zwangskommutierung auf die Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz wandelt kann bei einer für die lokale Übertragung geeignete Spannung.
Das lokale Gleichspannungnetz ist vorzugsweise mittels einer Kapazität spannungssteif gemacht und kann optional mit einer Akkumulatorenbatterie zur zeitweisen Energiespeicherung ausgerüstet sein. Die abgegebene Leistung wird vorzugsweise geregelt oder gesteuert durch Messung der lokalen Gleichspannung, die mit zunehmender über den dritten Stromrichter abgegebener Leistung zu fallen tendiert, und durch Steuerung der Kommutierung des ersten und des zweiten Stromrichters derart, daß man die gewünschte lokale Gleichspannung erhält.
Der zweite und dritte Stromrichter ist zweckmäßigerweise mit löschbaren Ventilen, beispielsweise GTO-Thyristoren, ausgerüstet, während der erste Stromrichter vorzugsweise Thyristoren enthält, die beim Nulldurchgang des Stromes erlöschen.
Das HVDC-Netz enthält zweckmäßigerweise Filterkreise zur Beseitigung von Oberwellen, welche durch die Leistungsentnahme erzeugt werden.
Die Kosten für die Entnahmestation sind mäßig, insbesondere da die Spannung zwischen den beiden Koinmutator-"Risern" der Hochspannungsleitung relativ niedrig ist, wodurch sogar die Möglichkeit geschaffen wird, die Kommutator-"Riser" über einen gemeinsamen Porzellanisolator zu dem Stromrichter- Transformator zwischen der ersten und der zweiten Stromrichterbrücke zu nehmen.
Ein Ausführungsbeispiel und eine Anzahl von Varianten desselben werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Um die Beschreibung nicht mit Einzelheiten bekannter Techniken der Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragung (HVDC) zu überladen, wird auf die Monographien- Literatur auf diesem Gebiet verwiesen, wie z.B. auf das Buch von E. Uhlmann: "Power Transmission by Direct Current" (Springer Verlag 1975).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines nach den Grundsätzen der Erfindung aufgebauten Systems,
Figuren 2 und 3 zeigen Schaltungen in detaillierterer Form,
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Aufbaus des Regel- oder Steuersystems für das dargestellte Entnahmesystem.
Das in Figur 1 schematisch gezeigte Blockschaltbild veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau mit vier untereinander verschiedenen Spannungssystemen, nämlich dem HVDC-System der Leitung, aus der Energie entnommen, das heißt, abgegriffen wird und welches beispielsweise eine Spannung von 500 kV haben kann, einem ersten Wechselstromsystem AC1, welches vorzugsweise mit einer Systemfrequenz arbeitet, die zwei- bis viermal größer ist als die übliche Netzfrequenz, einem Gleichspannungssystem DC, welches beispielsweise mit 40 kV arbeitet, und einem zweiten Wechselstromsystem AC2, welches Netzfrequenz hat und dazu bestimmt ist, ein lokales Verteilernetz zu speisen oder selbst ein solches darzustellen. Zwischen diesen Systemen wird Energie durch Stromrichterbrücken übertragen. Obwohl das erste Wechselstromsystem ein Einphasensystem sein kann, kann es auch ein Dreiphasennetz sein, wie in Figur 2 dargestellt.
Um einen großen Steuerbereich für die Leistungsentnahme zu erhalten, kann es auch zweckmäßig sein, in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung eine Anzahl von aktivierbaren und deaktivierbaren Stromrichterbrücken vorzusehen, von denen jede einen entsprechenden Wechselstrom liefert, deren Leistungen kombiniert sind, das heißt, daß jeder der genannten Ströme einer zugeordneten Primärwicklung des ersten Transformators zugeführt wird. Bei geeigneter Dimensionierung ist es auf diese Weise möglich, extrem große Zündwinkel für die Gleichrichterthyristoren und die mit solchen Winkeln verbundenen bekannten Probleme zu vermeiden.
Ein Einphasennetz ist offensichtlich am billigsten, weil hierbei auf der Hochspannungsseite nur vier Thyristorgruppen erforderlich sind, wobei diese Thyristoren nur dem maximalen Spannungsfall des hochgespannten Stromes am aktuellen System zu widerstehen brauchen und Transformator 4 nur eine Hochspannungswicklung benötigt. Dies ist eine Frage der Dimensionierung, und in bestimmten Fällen, wie in Figur 2 gezeigt, ist es möglich, mehrere Stromrichter 1,1' in Reihe zu schalten, wenn die abgegebene oder abgegriffene Leistung steigt, und eine teurere zwölfpulsige Kommutierung zu erhalten usw. in Übereinstimmung mit den herrschenden Anforderungen. Im Falle einer mäßigen bis kleinen Leistungsentnahme wird ein Arbeiten mit einer einzigen Phase und einer Frequenz von 120 - 150 Hz vorgezogen, da der Transformator 4 auf diese Weise preiswerter ausgeführt werden kann. Es kann auch die Frequenz variabel gemacht werden, so daß die abgegebene oder abgegriffene Leistung gesteuert werden kann.
Figur 2 zeigt symbolisch ein vollständiges Netzwerk mit Endstationen A und B für die HVDC-Leitung, und einem Leistungsentnahmesystem, welches an einen Leiter der Leitung angeschlossen ist, welcher Leiter als Freileitung mit zwei Einzelleitern (nicht dargestellt) ausgebildet sein kann.
Die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Systeme enthalten Thyristorventile für die Stromrichter 2 und 3, wobei diese Ventile (GTO-Typ) durch Stromimpulse gelöscht werden können. Der in Figur 2 gezeigte Stromrichter 2 ist spannungssteif und zwangskommutiert. Mindestens einer der Stromrichter 1 oder 2 muß zwangskommutiert sein. Der Stromrichter 2 ist dann über einen Gleichstromzwischenkreis an den Stromrichter 3 angeschlossen, der zwangskommutiert ist und direkt an das Verteiler- Wechselstromnetz angeschlossen ist. Durch das Arbeiten mit einer relativ konstanten Gleichspannung kann auch eine Energiespeicherbatterie zugeschaltet werden, welche den Startvorgang im Falle eines "toten" Wechselstromnetzes erleichtert und welche es auch ermöglicht, kurzfristige Störungen auf der Gleichstromleitung zu vermeiden als Folge von Störungen im Wechselstromnetz und umgekehrt. Wenn der Stromrichter 3 zwangskommutiert ist, sind im angeschlossenen Netz keine Synchronmaschinen erforderlich.
Wenn keine andere Leistungseinspeisung in das lokale Netz stattfindet, wird die Frequenz des Netzes eindeutig durch die Kommutierungsfrequenz des Stromrichters 3, der auch zwangskommutiert ist, bestimmt. In seiner einfachsten Ausführung wird der Stromrichter 3 als Rechteckwellen-Stromrichter gesteuert. Die Grundwelle Uv der Wechselspannung ist dabei proportional der Gleichspannung UdC, das heißt
Uv(1) = Ku UdC (1)
Der Proportionalitätsfaktor Ku ist für Rechteckwellen-Stromrichter eine feste Größe, kann aber auch durch Pulsbreitenmodulation gesteuert werden, durch Verwendung von zwei phasenverschobenen sechspulsigen Brücken oder einer sogenannten NPC-Kupplung. Dies wird beschrieben in der Monographie von Ekström: "High Power Electronics HVDC SVC" (Stockholm 1989).
Unten wird ein Steuer- und Regelsystem für den einfachen Fall beschrieben, daß Ku1 eine Konstante ist, wobei die Wechselspannung Uv1 und damit die Spannung des lokalen Wechselstromnetzes geregelt wird durch Steuerung von Ud. Andererseits, wenn das System so aufgebaut ist, daß Ku steuerbar ist, wird die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis Ud auf einen festen Wert gesteuer, wodurch die Zuschaltung einer Batterie zur Zwischenkreisspannung möglich ist.
Figur 4 zeigt in Blockdiagrammform ein Steuerung- und Regelsystem für das in Figur 1 gezeigte System. In diesem Falle sind die Zündsysteme für den Stromrichter 2 und den Stromrichter 3 besonders einfach, da angenommen wird, daß diese Stromrichter nur gesteuert werden, um gewünschte Frequenzwerte f&sup4; und fL zu erreichen.
Die Steuersysteme 5 und 6 können beispielsweise als Ringzähler ausgebildet sein, die von Impulsen beaufschlagt werden, welche die Frequenzen 2 x f&sub4; beziehungsweise 6 x fL haben.
Das Hauptproblem besteht darin, Ud so zu steuern, daß man in dem lokalen Netz die gewünschte Wechselspannung UL erhält. In der einfachsten Ausführung kann dieses Netzwerk als rückgekoppeltes System gemäß Figur 4 aufgebaut sein, wobei die gemessene Spannung UL mit der Sollspannung ULref verglichen wird. Wenn die gemessene Spannung extrem niedrig ist, wird der Spannungsregler 7 einen geeigneten Zuschlag zu demer Eingangsleistungswert ΔP berechnen, welcher dem Steuerglied 8 des Stromrichter 1 zugeführt wird. Die gemessene Spannung U&sub4; wird auch dem Steuerglied 8 zugeführt. Das Steuerglied kann in der Weise aufgebaut sein, wie sie für einen HVDC-Stromrichter in Kapitel 7 der oben genannten Monographie von Ekström gezeigt ist. Dieser Stromrichter ist so aufgebaut, daß die Zündimpulse bei einem positiven Wert von ΔP verzögert sind und im Falle eines negativen Wertes von ΔP voreilend sind. Eine verzögerte Zuführung der Zündimpulse zu dem Stromrichter 1 bewirkt eine Vergrößerung des Zündwinkels und eine Verkleinerung des Löschwinkels, was zu einem Anstieg der Gleichspannung UdC am Stromrichter 1 bei konstanter Wechselspannung U&sub4; führt. Wenn angenommen wird, daß der Gleichstrom Id1 konstant ist, führt eine Vergrößerung von Ud1 zu einer Vergrößerung der dem Kondensator C im Gleichspannungszwischenkreis zugeführten Leistung und damit zu einer Vergrößerung der Spannung aus UdC am Kondensator. Um Kommutierungsfehler im Stromrichter 1 zu vermeiden, ist das Steuersystem 8, ähnlich wie das in der oben genannten Monographie von Ekström beschriebene Steuersystem für den HVDC- Stromrichter, mit einer Begrenzung versehen, die sicherstellt, daß der Löschwinkel niemals kleiner werden kann als ein vorbestimmter kleinster Wert.
Wie der Fachmann erkennt, ist im Rahmen der Erfindung eine Vielzahl von alternativen Ausführungsformen möglich. Der Grad der Komplikation hängt im großem Umfang von der abzugebenden oder abzuzapfenden Leistung in jedem einzelnen Fall ab, und das zuvor beschriebene Beispiel ist in erster Linie für relativ kleine Leistungsentnahmen konzipiert, bei denen die Vorteile der Erfindung als am bedeutendsten angesehen werden, obgleich, wie erwähnt, das System in gewissem Ausmaße für höhere abgegebene Leistungen aufgebaut werden kann durch Verwendung eines dreiphasigen/sechspulsigen Stromrichters als ersten Stromrichter oder einfach eines zwölfpulsigen Stromrichters, um die mit der Filterung und der Beseitigung von Störungen auf der Hochspannungsseite verbundenen Probleme zu reduzieren.

Claims

1. System zur Einspeisung elektrischer Energie aus einer Netz, in welchem System eine Gleichstromleitung (HVDC) mit einer ersten Stromrichterbrücke (1) und der Primärwicklung eines ersten Transformator (4) in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des ersten Transformator an eine zweite Stromrichterbrücke (2) angeschlossen ist, die ihrerseits an ein zweites Gleichspannungsnetz angeschlossen ist, an welches eine dritte Stromrichterbrücke (3) angeschlossen ist, die Wechselstrom in das lokale Netz (L) liefert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Hochspannungs-Gleichstrom- Übertragungsleitung angeschlossene erste Stromrichterbrücke (1) eine Einphasenbrücke ist und daß der erste Transformator (4) ein Einphasentransformator ist.

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromrichterbrücke (1) aus Halbleiterventilen aufgebaut ist, die durch elektrische Signale gezündet werden können und die nur durch den Nulldurchgang des Stromes gelöscht werden können, und daß die zweite (2) und die dritte (3) Stromrichterbrücke aus Halbleiterventilen aufgebaut sind, die elektrisch gezündet und gelöscht werden können.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromrichterbrücke (2) so ausgelegt ist, daß sie spannungssteif ist, und daß die Ausgangsgleichspannung dieser Brücke mittels eines Stabilisierungskondensators (C) überbrückt ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Stabilisierungskondensator (C) eine Akkumulatorbatterie geschaltet ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Stromrichterbrücke (1) und die zweite Stromrichterbrücke (2) für eine Kommutierungsfrequenz ausgelegt sind, die das Zwei- bis Vierfache der normalen Netzfrequenz beträgt, während die dritte Stromrichterbrücke (3) für eine Kommutierung mit normaler Netzfrequenz ausgelegt ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromleitung (HVDC) mit einer Mehrzahl von Stromrichterbrücken (1,1') in Reihe geschaltet ist, die zumindest zum Teil deaktivierbar sind und von denen jede imstande ist, einen entsprechenden Wechselstrom zu liefern, der mit variierenden Werten zu der dem ersten Transformator (4) zugeführten Leistungen beiträgt.