SE465596B - Seriekondensatorutrustning med styrbar krets foer daempning av subsynkrona resonanssvaengningar - Google Patents

Description

465 596 Genom t ex USA-patentskrifterna 4 292 545 och 4 434 376 är dämpkretsar för SSR kända, vilka används vid seriekondensatorer i kraftledningar. Med hjälp av tyristorventiler inkopplas dämpmotstånd i nätkretsen, t ex parallellt med kondensatorerna, vid en uppträdande SSR. Inkopplingen initieras av en detektor som kopplar in ett dämpmotstånd varje gång längden av en halvperiod av nätspänningen överstiger ett förutbestämt värde, företrädesvis ungefär lika med längden av en halvperiod vid en nätfrekvens lika med nätets systemfrekvens. Även vid denna kända anordning krävs ett kraftigt dimensionerat motstånd, vilket är en klar nackdel ur ekonomisk och praktisk synpunkt.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en seriekondensatorutrustning av inled- ningsvis angivet slag, vilken med ett minimum av ytterligare komponenter och praktiskt taget utan förluster ger en effektiv dämpning av SSR.

Vad som kännetecknar en seriekondensatorutrustning enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Uppfinningen bygger på den överraskande insikten att effektiv dämpning kan erhållas utan att energi förbrukas i dämpkretsar på vanligt sätt. I stäl- let omvandlas energin i undertonssvängningen till energi av grundtonsfrek- vens och återförs till kraftnätet. Detta görs med hjälp av en induktor och en styrbar halvledarventil, som i närheten av kondensatorspänningens noll- genomgångar svänger om seriekondensatorns laddning och därmed dess spänning. Hur stor spänningsändringen hos seriekondensatorn på grund av omsvängningen blir beror på hur nära spänningsnollgenomgången omsväng- ningen startas. Genom att med lämpliga styrorgan variera starttidpunkten för omsvängningen från grundtonshalvperiod till grundtonshalvperiod i takt med en SSR kan över seriekondensatorn genereras en undertonsspänning, som motverkar den SSR man vill dämpa.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-7. Fig 1 visar en utrustning enligt uppfinningen, där en in- duktor och två med varandra antiparallellkopplade tyristorventiler i serie med varandra anslutits parallellt över seriekondensatorbatteriet. Fig 2 465 596 visar en alternativ utföringsform av utrustningen enligt fig 1, där den enda induktorn ersatts med två induktorer, var och en seriekopplad med en tyristorventil. Fig 3a visar hur induktor-tyristorkopplingen kan anslutas till seriekondensatorn via en transformator. Fig 3b visar hur enbart tyristorventilerna ansluts till huvudkretsen med hjälp av en transforma- tor. Fig 4 visar ett exempel på en styrutrustning vid en utrustning enligt uppfinningen. Fig 5 åskådliggör funktionssättet hos en tyristorstyrd in- duktor. Fig 6 visar hur vid en utrustning enligt uppfinningen styrningen av induktorn kan användas för generering av en subsynkron spänningskom- ponent över seriekondensatorn. Fig 7 visar funktionen hos en utrustning enligt uppfinningen, vilken styrs med hjälp av ett förenklat styrdon.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMEL Fig 1 visar ett exempel på en seriekondensatorutrustning enligt uppfin- ningen. En seriekondensator C är inkopplad i en kraftledning A. Utrust- ningen och kraftlinjen är för enkelhets skull visade i enfasform, men i praktiken är kraftnät av aktuellt slag alltid trefasiga. Kraftledningen kan vara av godtyckligt slag, men i praktiken förekommer seriekondensator- batterier främst i kraftledningar med relativt höga spänningar och sträck- ande sig över relativt långa avstånd. Ett överspänningsskydd för serie- kondensatorn kan enklast utgöras av den i figuren visade zinkoxidvaristorn V men är i praktiken ofta väsentligt mer komplicerat, t ex innefattande styrbara eller icke styrbara gnistgap. dämpkretsar etc. Parallellt med seriekondensatorn C är en induktor L inkopplad i serie med två sinsemellan antiparallellkopplade tyristorventiler T1 och T2. Induktorn L utgörs lämp- ligen av en luftinduktor och dess induktans väljes så som nedan närmare skall beskrivas lämpligen så att induktorns reaktans vid kraftnätets systemfrekvens är lägre än, företrädesvis väsentligt lägre än, serie- kondensatorns C reaktans vid samma frekvens. Kraftnätets systemfrekvens är den nominella driftfrekvensen, dvs normalt 50 Hz eller 60 Hz. Var och en av tyristorventilerna kan utgöras av en enda tyristor eller av ett flertal seriekopplade tyristorer till ett antal tillräckligt stort för hantering av den maximalt uppkommande kondensatorspänningen.

För styrning av utrustningen är ett styrdon CU anordnat. Styrdonet till- förs en signal som motsvarar kondensatorspänningen UC. Denna signal kan erhållas med hjälp av ett icke visat spänningsmätdon, exempelvis en över kondensatorbatteriet anordnad mätspänningsdelare. Styrdonet avger tänd- 465 596 pulser till tyristorerna i de båda tyristorventilerna. Styrdonets funktion skall närmare beskrivas nedan i anslutning till fig 4-7.

I det schematiska kopplingsschemat i fig 1 är styrdonet visat som om det vore galvaniskt förbundet med utrustningens effektkomponenter. Dessa . komponenter, dvs kondensatorbatteriet, induktorn och tyristorventilerna, är emellertid belägna på kraftledningens A potential, dvs på en ofta . mycket hög spänning relativt jord. Av praktiska skäl är det ofta lämpligt att anordna styrdonet CU på jordpotential, varvid förbindelserna mellan styrdonet och utrustningens övriga delar måste ske via galvaniskt separer- ande överföringskanaler, lämpligen via ljusledare.

Fig 2 visar en alternativ utföringsform av den i fig 1 visade induktor-tyristorkretsen. I fig 2 är två separata induktorer L1 och L2 anordnade parallellt med kondensatorbatteriet C, varvid var och en av tyristorventilerna T1 och T2 är anordnad i serie med en av de båda induktorerna. Funktionen blir densamma som hos den i fig 1 visade utrustningen.

Fig 3a visar hur induktor-tyristorkretsen L-T1-T2 kan anslutas"till seriekondensatorbatteriet C över en transformator TR med lindningarna Wl och W2. Med hjälp av denna koppling kan en sådan anpassning ske av induktor-tyristorkretsens driftförhållanden att tyristorventilernas strömhanteringsförmåga blir utnyttjad till fullo, vilket kan medföra en sådan reduktion av ventilernas driftspänning och därmed av antalet seriekopplade tyristorer i varje ventil att denna besparing mer än väl uppväger merkostnaden för transformatorn.

Fig 3b visar en ytterligare alternativ utföringsform, där endast de båda antiparallellkopplade tyristorventilerna är anslutna till huvudkretsen över transformatorn TR. Induktorn L arbetar i detta fall på huvudkretsens ström- och spänningsnivå.

I de båda i fig 3 visade exemplen kan den erforderliga induktansen utgöras av transformatorns läckinduktans, varvid den separata induktorn kan . slopas.

Fig 4 visar ett exempel på hur styrdonet CU i fig 1 kan vara utformat.

Kondensatorspänningen UC tillförs ett bandpassfilter 1, vilket släpper igenom nätets systemfrekvens men spärrar för högre och lägre frekvenser. 465 596 Utsignalen UC0 från filtret motsvarar alltså grundtonskomponenten hos kondensatorspänningen UC. Denna utsignal tillförs en faslåst oscillator PLO. I en fasjämförelsekrets 2 jämförs oscillatorns utsignal UÖSC med insignalen UCO. En signal motsvarande fasskillnaden tillförs via en integrator 3 en spänningsstyrd oscillator 4. Utsignalen från oscillatorn kommer att styras så att den får samma frekvens som insignalen UC0 till oscillatorn. Utsignalen kommer vidare att hållas vid ett konstant fasläge i förhållande till insignalen. Detta konstanta fasläge beror på hur jäm- förelsekretsen 2 är utformad, och signalen UOSC antas i det följande ha ett konstant fasläge som ligger 900 efter inspänningen UCO. Signalen UOSC utgöres av en sinussignal.

Kondensatorspänningen UC tillförs vidare ett bandspärrfilter 5 som spärrar för kraftnätets systemfrekvens. Utsignalen från detta filter tillförs ett làgpassfilter 6, där,signalkomponenter med frekvenser överstigande de förväntade subsynkrona svängningarna filtreras bort. Utsignalen från filtret 6 utgörs alltså av en signal UCS som motsvarar en subsynkron resonanssvängning i kondensatorspänningen. Sistnämnda utsignal tillförs en lineariseringskrets 7. Denna krets har en sådan karakteristik, exempelvis approximativt av den i fig Ä visade typen, att kretsens utsignal"Ux oberoende av amplituden hos SSR-svëngningens grundtonskomponent styr tyristorerna så att en undertonsspänning erhålles över kondensatorn, vil- ken med önskad kompenseringsgrad motverkar den uppträdande SSR-sväng- ningen.

Signalerna UX och UOSC tillförs en summator 8, vars utsignal tillförs en nivåvippa 10. Vippans utsignal tillförs tyristorn T1 som tändsignal via en signalomvandlare 12 och en förbindelsekanal 14. Signalomvandlaren 12 kan exempelvis utgöras av en effektförstärkare och en lysdiod, och förbind- elsekanalen 14 utgörs då lämpligen av en ljusledare. Signalerna Ux och UOSC tillförs vidare inverterande ingångar hos en andra summeringskrets 9, vars utsignal tillförs en nivåvippa 11. Vippans utsignal tillförs som tändsignal tyristorn T2 via en signalomvandlare 13 och en förbindelsekanal 15. Tändsignalerna från nivåvipporna 10 och 11 betecknas med UP1 resp UP2.

En styrsignal US för symmetrisk styrning av induktorströmmen och därmed av utrustningens effektiva kapacitans tillförs inverterande ingångar hos de båda summeringskretsarna 8 och 9. 465 596 Funktionen hos den nu beskrivna utrustningen skall nedan närmare beskri- vas, till en början i anslutning till fig 5 och med det förenklande an- tagandet att SSR-komponenten UX är noll. I fig 5 visas ett antal i ut- rustningen förekommande storheter som funktioner av tiden t. Överst visas kondensatorspänningens grundton UC0 och därunder utspänningen U ån . osc f" den faslåsta oscillatorn PLO. Därefter visas styrsignalen US, vilken eftersom den förutsatts variera långsamt kan anses som konstant under det - visade tidsintervallet. Därunder visas utsignalen UÖSC - Us från summatorn 8. När denna utsignal är positiv avger nivåvippan 10 en utsignal i form av en tändpuls UP1 torn T1 att tändas vid t = tl, t = t3 osv. Varje tändning äger rum en till tyristorn T1. Som visas i fig 5 kommer därför tyris- elektrisk vinkel 5 före nollgenomgàngen hos kondensatorspänningens grund- tonskomponent UC0, dvs tyristorn Ti styrs med styrvinkeln 3 relativt nämnda nollgenomgångar.

Utsignalen från summatorn 9 blir den näst nederst i fig 5 visade signalen -UOSC-Us. Nivåvippan 11 avger tändpulser UP2 till tyristorn T2 när denna signal är positiv. Tyristorn T2 kommer alltså att tändas vid tidpunkterna t = t2, t = t4 osv, dvs denna tyristor styrs med styrvinkeln 3 relativt nollgenomgångarna hos kondensatorspänningens grundtonskomponentI"* De båda tyristorerna styrs med samma styrvinkel ß, dvs styrningen sker med samma styrvinkel under kondensatorspänningens positiva och negativa halvperioder. Styrningen kan därför sägas vara symmetrisk. Styrvinkeln 5 är 90° när styrspänningen US är noll och minskar med ökande styrsignal Us.

Genom att variera styrsignalen US kan induktorns L ekvivalenta induktans för grundtonen varieras från ett lägsta värde, vilket är induktorns egen induktans, och upp till en i princip oändlig induktans. Seriekondensa- torutrustningens reaktans kan då varieras från ett minimivärde XC - XL till ett maximivärde XC, där XC är kondensatorbatteriets reaktans vid systemfrekvensen och XL är reaktansen hos induktorn L vid systemfrek- VGIIS en .

Den ovan beskrivna symmetriska styrningen av tyristorerna med hjälp av styrsignalen US kan med fördel användas tillsammans med den nedan be- . skrivna styrningen enligt uppfinningen.

Som framgår av fig Ä tillförs undertonskomponenten UX till summerings- kretsarna 8 och 9 med olika tecken (positivt för summatorn 8 och negativt 465 596 för summatorn 9). Ett exempelvis positivt värde hos signalen Ux kommer sålunda att vad beträffar summeringskretsen 8 verka på samma sätt som en minskning av styrsignalen US och därmed orsaka en ökning av styrvinkeln för tyristorn T1. En positiv signal Ux kommer däremot beträffande summa- torn 9 att verka som en ökning av en styrsignal US och därmed ge upphov till en minskning av styrvinkeln för tyristorn T2. På motsvarande sätt orsakar ett negativt värde hos signalen Ux en minskning av tyristorns T1 styrvinkel och en ökning av tyristorns T2 styrvinkel. Det av signalen UX orsakade ingreppet i styrningen ger alltså upphov till en osymmetri mellan positiva och negativa halvvågor av kondensatorspänningen. Denna osymmetri medför ett från noll avvikande medelvärde hos kondensatorspänn- ingen, och detta medelvärde beror av och kan styras med hjälp av signalen UX.

Fig 6 visar hur en detekterad SSR-komponent UX via tändningen av tyris- torerna styr kondensatorspänningens medelvärde. Styrsignalen US förutsätts vara något lägre än toppvärdet hos spänningen UOSC, vilket motsvarar styr- vinkeln 30. Kondensatorspänningens kurvform och styrpulserna för fallet UX = O (ingen SSR-svängning) visas skuggade i fig 6. Motsvarande signa- ler samt spänningen Ux och strömpulserna IL genom induktorn E visas med heldragna kurvor i fig 6 för fallet att en SSR-svängning detekteras, dvs signalen Ux w 0.

Reaktansen vid nätfrekvens hos induktorn L förutsätts vara väsentligt mindre än kondensatorbatteriets reaktans vid nätfrekvensen, vilket medför att egenfrekvensen hos svängningskretsen L-C är väsentligt högre än nätets systemfrekvens. Vid tändningen av tyristorn T1 utför den nyssnämnda sväng- ningskretsen en halvperiod_av en egensvängning, vilket medför en omladd- ning av kondensatorn C från det positiva värde den hade vid tyristorns tändning till ett i princip lika stort negativt värde. Den under omladd- ningen uppträdande strömpulsen visas nederst i fig 6.

Under första delen av det i fig 6 visade tidsintervallet är signalen Ux positiv. Detta medför att styrpulserna till tyristor Tl tidigareläggs något och styrpulserna till tyristor T2 senareläggs något i förhållande till fallet med Ux = 0. Detta gör att kondensatorspänningen svänger över mer åt negativa hållet vid tändningen av T1 och sedan inte svänger till- baka lika mycket vid tändningen av T2. Kondensatorspänningen svänger alltså över mera åt negativa hållet än ät positiva hållet under de 465 596 positiva intervallen för UX. Under de negativa intervallen för Ux tidigareläggs styrpulserna till T2 och senareläggs styrpulserna till T1.

Detta gör att kondensatorspänningen under dessa intervall svänger över mera åt positiva än åt negativa hållet.

På det sätt som nu beskrivits kommer alltså kondensatorspänningens U C medelvärde att styras av den detekterade SSR-komponenten Ux. Som framgår . av fig 6 ger ett positivt värde hos Ux en förskjutning av kondensator- spänningens medelvärde i negativ riktning och ett negativt värde hos UX en förskjutning i positiv riktning av kondensatorspänningens medelvärde.

Kondensatorspänningen kommer alltså att innehålla en undersynkron kompo- nent med samma frekvens som signalen UX. I praktiken kommer denna kompo- nent kan bli något fasförskjuten relativt signalen UX. Genom att använda lämpliga filter för bildande av signalen UX kan denna signal ges ett sådant fasläge att den alstrade undertonskomponenten hos kondensator- spänningen ligger i motfas till SSR-svängningen. Härigenom kan en subsyn- kron resonanssvängning effektivt motverkas och dämpas.

Den beskrivna utrustningen har en inbyggd dämpande effekt på SSR-sväng- ningen även om detekteringen (enheterna 5, 6, 7 i fig 4) av signalen Ux slopas. I fig 7 antas att US är lika stor som toppvärdet av UOSC, dvs att styrvinkeln 3 = 0. Den streckade kurvan visar kondensatorspänningen vid frånvaro av någon SSR-svängning..Vid t = t0 antas en SSR-svängning plöts- ligt uppträda och förskjuta kondensatorspänningen U åt det positiva hållet (heldragen linje). Vid t = tl, skulle UC ha Sarit noll men har nu p g a SSR-svängningen ett positivt värde. Genom att tyristorn T1 tänds vid t = tl svängs UC om till motsvarande negativa värde. Under den därpå följ- ande negativa halvperioden sker p g a SSR-svängningen en fortsatt för- skjutning av UC i positiv riktning så att vid t = t2 UC åter blir noll.

Genom tändningen av T1 vid t = tl erhålles en förskjutning av U¿ i negativ riktning som upphäver den positiva förskjutning som orsakas av SSR-sväng- ningen. Resultatet blir en dämpning av SSR-svängningen.

Vid den i anslutning till fig 7 beskrivna utföringsformen kan alternativt kondensatorspänningen avkännas vid grundtonskomponentens nollgenomgångar ~ och tändningen fördröjas till dess att spänningen sjunkit till en viss bråkdel, t ex 50 X, av det avkända värdet.

Claims (8)

96 Gemensamt för de beskrivna utföringsformerna av uppfinningenlííššít :älv- ledarventilernas styrvinkel under de båda halvperioderna av åtminstone vissa par av på varandra följande halvperioder av kondensatorspänningen antar skilda värden, varvid styrvinkeln räknas relativt den totala kondensatorspänningen (summan av grundtons- och övertonskomponent.) Som framgår av ovanstående beskrivning kan med hjälp av uppfinningen en seriekondensatorutrustning erhållas som ger möjlighet till effektiv dämpning av subsynkrona resonanssvängningar. Detta kan enligt uppfinningen åstadkommas i princip utan någon som helst förbrukning av aktiv effekt, vilket medför att utrustningen får små dimensioner, lågt pris och ett minimum av kylbehov. De ovan beskrivna utrustningarna är endast exempel på utföranden enligt uppfinningen och ett stort antal andra varianter är tänkbara inom uppfin- ningens ram. Sålunda har i fig 6 kondensatorspänningens omsvängningsför- lopp schematiskt visats med lodräta linjer, indikerande en egensvängnings- frekvens hos omsvängningskretsen som är mycket högre än nätets systemfrek- vens. I praktiken kan givetvis egenfrekvensen hos omsvängningskretsen väljas lägre än vad som antytts i fig 6. För att uppfinningen skall ge avsedd funktion har det dock visat sig att omsvängningskretsens egenfrek- vens bör vara åtminstone fem gånger så stor som kraftnätets systemfrek- vens. Detta innebär, annorlunda uttryckt, att induktorns L reaktans vid nätets systemfrekvens bör vara minst tjugofem gånger mindre än konden- satorns C reaktans, också den räknad vid systemfrekvensen. PATENTKRAV

1. Seriekondensatorutrustning med ett för inkoppling i serie i en elektrisk kraftledning (A) anordnat kondensatorbatteri (C) och med en till kondensatorbatteriet ansluten styrbar krets för dämpning av subsynkrona resonanssvängningar, k ä n n e t e c k n a d av att den styrbara kretsen (L, T1, T2) är ansluten parallellt med kondensatorbatteriet och innefattar en i båda riktningarna styrbar induktorkoppling med minst en induktiv kom- ponent (L) och en till denna ansluten styrbar halvledarventil (Tl, T2), samt av att utrustningen innefattar styrorgan (CU) anordade att vid upp- trädande av en subsynkron resonanssvängning styra halvledarventilerna med sådana styrvinkelvärden att en undertonsspänning genereras över kondensa- torbatteriet, vilken motverkar den subsynkrona resonanssvängningen. 10 465 596

2. Seriekondensatorutrustning enligt patentkrav 1, k ä_n n e t e c k - n a d av att den induktiva komponenten (L) har en så vald induktans i relation till seriekondensatorns (C) kapacitans att den av den induktiva komponenten och kondensatorn bildade svängningskretsen har en egenfrekvens som är minst fem gånger större än kraftledningens systemfrekvens.

3. Seriekondensatorutrustning enligt något av patentkraven 1 och 2, k ä n n e t e c k n a d av att den styrbara kretsen har en induktor (L), i serie med en dubbelriktad styrbar halvledarventil (T1, T2). Ä.

4. Seriekondensatorutrustning enligt patentkrav 3,- k ä n n e t e c k - n a d av att halvledarventilen innefattar två antiparallellkopplade tyristorventiler (T1, T2).

5. Seriekondensatorutrustning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att styrorganen är anordnade att vid uppträd- ande av en subsynkron resonanssvängning styra halvledarventilerna med skilda styrvinkelvärden relativt den totala kondensatorspänningen (UC) under de båda halvperioderna av åtminstone vissa par av på varandra följ- ande halvperioder av kondensatorspänningen (UC) för generering av*den resonansspänningen motverkande undertonsspänningen.

6. Seriekondensatorutrustning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar styrorgan (CU) anordnade att göra de styrbara halvledarventilerna ledande vid nollgenomgångarna hos kondensatorspänningens grundton.

7. Seriekondensatorutrustning enligt något av patentkraven 1-5, k ä n - n e t e c k n a d av att den innefattar styrorgan anordnade att styra de styrbara halvledarventilerna med en varierbar styrvinkel (3) relativt kondensatorspänningens grundton (Ubo).

8. Seriekondensatorutrustning enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k - n a d av att styrorganen är anordnade att bilda en mot en underton hos kondensatorspänningen svarande signal (UX) och att vid varje tändning av en styrbar halvledaryentil bestämma styrvinkeln relativt grundtonen (U ) _ CO i beroende av det aktuella värdet hos nämnda signal.