WO2014082766A2 - Vorrichtung und verfahren zur verlängerung der fehlerklärungszeit - Google Patents

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    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage

Definitions

  • the invention relates to a device for extending the time of error clearance and to a method for extending the time of error clearance.
  • the power resynchronization process may take several minutes during which the power plant power to the grid is unavailable. This can lead to network instability especially in the case of failure of larger power plants and in the worst case to a large-scale power failure.
  • a device for extending the error explanation time comprising an electric generator, in particular synchronous generator and electrical loads and a component designed to detect a short circuit ⁇ if, wherein the device is designed such that in case of short circuit, the electrical loads with the electric Generator are connected.
  • the electrical loads are designed as resistors.
  • the ⁇ thanks Ge is followed, to arrange resistors which are short-circuited ⁇ case connected as electrical loads to the electric generator and so as switchable load resistors which dissipate in case of failure to the shaft acceleration contributing Turbi ⁇ nen inconvenience without disconnecting the generator from the grid.
  • the critical fault clearing time is significantly extended ver ⁇ .
  • the device with a transformer which is connected to the electric generator, formed, wherein the electrical loads are arranged parallel to the transformer during the short circuit.
  • the device is designed with electrical loads, wherein the electrical loads are arranged serially to the short circuit path in the transformer star point on the high voltage side.
  • the resulting sudden generator short-circuit is composed of an AC and a DC current component, which decay at different speeds to the stationary short-circuit current according to their time constants.
  • the DC component of the short-circuit current is responsible ⁇ sible that the current path is experiencing a current zero after a few milliseconds. After opening the performance-switch of the switching arc burns until the ⁇ ser first current zero crossing occurs and the arc may be extinguished. During this time, due to the extremely hot arc plasma, the switch experiences considerable contact stress and thermal heat generation. It is therefore desirable that the DC component of the Kurz gleichstro ⁇ mes subsides as soon as possible.
  • the time constant (T) is described by the ratio of the inductance (L) in the short circuit path and the resistance (R) acting in the short circuit path.
  • the formula T L / R makes it clear that the time constant can be lowered with increasing effective resistance. This can be effectively accelerated by switching on the load resistors described here after the fault has occurred.
  • the object is also achieved by a method for increasing the time of error elimination, wherein the electrical generator connected to an electrical consumer network in the short-circuit Final case is interconnected with additional electrical loads.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the invention shown SEN device
  • Figure 3 shows a second embodiment of the erfindungsge ⁇ MAESSEN device.
  • FIG. 2 shows a three-phase electrical generator 5, in particular a synchronous generator, wherein a first phase 6, a second phase 7 and a third phase 8 are formed at the output.
  • the first 6, second 7 and third phases 8 are connected to a transformer 9.
  • the secondary side 10 of the transformer 9 is connected to an electrical network 11.
  • a first drain 12 is provided, to which a first switch 13 and electrical loads 14 are connected to earth 15.
  • the second phase 7 includes a second discharge conduit 16 and connected to the second discharge conduit 16 and a second switch 17 connected to ground 15 load 18.
  • the third stage 8 comprises a third branch 19 and a corresponding drit ⁇ th switch 20 and a Last 21, which in turn is connected to earth 15.
  • the phases 6, 7 and 8 are connected via the generator switch 25 to the transformer 9.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the invention.
  • the difference from FIG. 2 is that the loads 14, 18 and 21 are located in series with the short-circuit path in the transformer star point on the high-voltage side. Parallel to the loads 14, 18 and 21, a respective switch 22, 23 and 24 is arranged.
  • the electric generator 5 is driven by a turbine (not shown).
  • the turbine power impressed into the shaft is switched on by the generator 5 via switchable loads 14, 18, 21 until the power returns, and converted into heat.
  • ⁇ impressed on the shaft turbine power is to return from the power generator 5 is electrically removed and converted into heat via switchable loads 14, 18 and 21st
  • the electrical generator 5 with the elekt ⁇ generic network 11 remains connected. A network resynchronization is thus eliminated and it can be achieved a higher power plant availability.
  • the critical for each strand fault clearing time T Ku without additional loads can be general ⁇ my correspond to the following formula to determine analytically:
  • the loads 14, 18 and 21, which may be configured as electrical resistors, perform the turbine power contributing to the shaft acceleration in the event of a fault, thereby significantly increasing the critical fault clearing time and thereby increasing the transient stability of the electric generator 5, in particular synchronous generator in the In the event of a short circuit, load resistors 14, 18 and 21 can be connected.
  • the load resistors 14, 18 and 21 shown in FIG. 2 are connected in parallel to the transformer 9 on the transformer undervoltage side, around the short-circuit residual voltage present in the event of a short-circuit over the transformer longitudinal impedance to use.
  • the additional use of adjustable reactances can even improve the reactivity of the circuit. 2 shows the topology to this first execution ⁇ of the invention.
  • the topology of the second embodiment is shown in FIG.
  • the load resistors 14, 18 and 21 are located in series with the short circuit path in the transformer neutral point on the high voltage side. They are connected by opening the parallel switches 22, 23, 24 in the short circuit.
  • the critical fault clearing time can be significantly increased without constructional changes to ⁇ n ⁇ must make to turbine and generator 5, resulting in a cost measure of the invention shown here.
  • no network separation during the temporary short-circuit is required, so that a permanent availability of the electric generator 5 can be realized without resynchronization.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlängerung der Fehlerklärungszeit, wobei im Fehlerfall zuschaltbare Belastungswiderstände (14, 18, 21), die in die Welle eingeprägte Turbinenleistung bis zur Netzrückkehr vom Generator (5) elektrisch abgenommen wird und in Wärme umgesetzt wird.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Verlängerung der
Fehlerklärungs zeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlängerung der Fehlerklärungszeit sowie ein Verfahren zur Verlängerung der Fehlerklärungszeit .
Durch den starken Zuwachs regenerativer Energieerzeuger in den Versorgungsnetzen gibt es stetig steigende Minimalanforderungen der Netzbetreiber an alle Einspeiseeinheiten hinsichtlich der Stabilität und Versorgungssicherheit. Dazu gibt es Grid-Codes, die ein einheitliches Vorgehen fordern. So werden beispielsweise im finnischen Grid-Code „Fin-Grid" Feh¬ lerklärungszeiten von 250ms bei Null p.u. Restspannungen gefordert, die für einige Generatoren, insbesondere Synchron- Generatoren, ohne Zusatzmaßnahmen zum Fall in Asynchronität und damit zu einer bedingten Neusynchronisation nach Netzspannungswiederkehr zur Folge hat. Die Abbildung 1 zeigt mehrere Grid-Code-Forderungen . So ist die vorgenannte „Fin- Grid" mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Weitere Grid-Code- Forderungen sind hier beispielhaft dargestellt für E . on 2, REE Spanien 3 sowie WECC Nordamerika 4.
Der Vorgang der Neusynchronisation nach Netzspannungswiederkehr kann einige Minuten in Anspruch nehmen, während derer die Kraftwerksleistung für das Netz nicht verfügbar ist. Dies kann vor allem bei Ausfall von größeren Kraftwerken zur Netzinstabilität und im schlimmsten Fall zu einem großflächigen Spannungsausfall führen.
Während des Kurzschlusses wird die durch die Turbine in den Wellenstrang eingeprägte mechanische Leistung am Generator nicht mehr abgenommen und führt somit zu einer Beschleunigung des Turbosatzes. Überschreitet der Polradwinkel des Synchrongenerators einen kritischen Transientenwert , fällt dieser in Asynchronität und muss neu synchronisiert werden. In den Grid-Codes wird gefor¬ dert, dass ein Kraftwerk eine vordefinierte Fehlerklärungs- zeit bei einer bestimmten Restspannung auf der Transformatoroberspannseite ohne Netztrennung durchfahren können muss. Liegt diese geforderte Fehlerklärungszeit oberhalb der für den Turbosatz erzielbaren Fehlerklärungszeit, müssen Zusatzvorkehrungen getroffen werden.
Im Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten bekannt die¬ sen Umstand zu berücksichtigen. So wird beispielsweise in der EP 1 805 887 Bl eine aktive Boost-Schaltung im Fehlerfall über Schleifringe auf einen aufgeladenen Kondensator in Reihe zur Generatorfeldwicklung geschaltet, wodurch die Feldspannung sprungartig angehoben wird. Somit befindet sich der Ge¬ nerator bei Netzrückkehr im übererregtem Bereich, wodurch sich die Stabilität des Systems Turbosatz-Netz erhöht. Eine weitere Möglichkeit, die kritische Fehlerklärungszeit zu verlängern, besteht darin, dass Massenträgheitsmoment des Stranges zu erhöhen, um die Wellenbeschleunigung im Kurzschlussfall zu reduzieren. Weiterhin gibt es für manche Turbinentypen die Möglichkeit, an der Dampfturbine Änderungen durchzuführen, um ein noch schnelleres Wegschalten des Wasserdampfes von den Turbinen¬ schaufeln zu realisieren, was als Fast-Valving bezeichnet wird. Somit soll eine schnellere Reduzierung der in den Wel- lenstrang eingeprägten Turbinenleistung erreicht werden.
Ebenfalls ist es bekannt bei Offshore-Windkraftanlagen ähnliche Konzepte mit Belastungswiderständen auszubilden. Jedoch werden Windparks beispielsweise über High-Voltage DC Verbin- düngen mit einer Onshore-Umrichteranlage verbunden, die bei einem landseitigem Kurzschluss die überschüssige Energie des Windparks in Belastungswiderstände ableiten. Wünschenswert wäre es, eine einfache Möglichkeit für einen Turbosatz zu haben, um die Fehlerklärungszeiten im Kurzschlussfall zu verlängern. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verlängerung der Fehlerklärungszeit anzugeben.
Gelöst wird dies durch eine Vorrichtung zur Verlängerung der Fehlerklärungszeit, umfassend einen elektrischen Generator, insbesondere Synchron-Generator und elektrische Lasten und einem Bauteil ausgebildet zum Erkennen eines Kurzschluss¬ falls, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass im Kurzschlussfall die elektrischen Lasten mit dem elektrischen Generator verbunden sind.
Vorteilhafterweise wird dies erfindungsgemäß erreicht, ohne mechanische Eingriffe Veränderungen am gegebenen Wellenstrang bzw. dessen Komponenten vorzunehmen.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung sind die elektrischen Lasten als Widerstände ausgebildet. Somit wird der Ge¬ danke verfolgt, Widerstände anzuordnen, die im Kurzschluss¬ fall als elektrische Lasten mit dem elektrischen Generator verbunden sind und so als zuschaltbare Belastungswiderstände, die im Fehlerfall zur Wellenbeschleunigung beitragende Turbi¬ nenleistung abführen ohne den Generator vom Netz zu trennen. Dadurch wird die kritische Fehlerklärungszeit erheblich ver¬ längert .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. So ist in einer vorteilhaften Weiterbildung die Vorrichtung mit einem Transformator, der mit dem elektrischen Generator verbunden ist, ausgebildet, wobei die elektrischen Lasten während des Kurzschlusses parallel zum Transformator angeordnet sind. In einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung mit elektrischen Lasten ausgebildet, wobei die elektrischen Lasten seriell zum Kurzschlusspfad im Transformatorsternpunkt auf der Hochspannungsseite angeordnet sind.
Ebenso ist als weitere potentielle Anwendung der zuvor be¬ nannten schaltbaren Widerstände eine deutliche Entlastung des GeneratorleistungsSchalters realisierbar. Für die Auslegung eines Generatorleistungsschalters besteht häufig die Forderung im Falle eines Kurzschlusses denselben sobald wie möglich abzuschalten.
Der sich einstellende plötzliche Generatorkurzschluss setzt sich zusammen aus einer AC sowie einer DC Stromkomponente, die entsprechend ihrer Zeitkonstanten unterschiedlich schnell auf den stationären Kurzschlussstrom abklingen. Insbesondere die DC Komponente des Kurzschlussstromes ist dafür verant¬ wortlich, dass der Stromverlauf erst nach einigen Millisekunden einen Stromnulldurchgang erfährt. Nach Öffnen des Leis- tungsschalters brennt der Schaltlichtbogen so lange, bis die¬ ser erste Stromnulldurchgang stattfindet und der Lichtbogen erlöschen kann. In dieser Zeit kommt es im Schalter auf Grund des extrem heißen Lichtbogenplasmas zu einer erheblichen Kontaktbeanspruchung sowie thermischen Wärmeentwicklung. Es ist daher erwünscht, dass die DC Komponente des Kurzschlussstro¬ mes so schnell wie möglich abklingt.
Die Zeitkonstante (T) wird prinzipiell beschrieben über das Verhältnis der im Kurzschlusspfad liegenden Induktivität (L) sowie des im Kurzschlusspfad wirksamen Widerstandes (R) . Über die Formel T=L/R wird deutlich, dass mit größer werdendem wirksamem Widerstand die Zeitkonstante herabgesetzt werden kann. Dies lässt sich wirkungsvoll durch die Einschaltung der hier beschriebenen Lastwiderstände nach Eintritt des Fehlers beschleunigen .
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Verlängern der Fehlerklärungszeit gelöst, wobei der an ein elektrisches Verbrauchernetz angeschlossene elektrische Generator im Kurz- Schlussfall mit zusätzlichen elektrischen Lasten verschaltet wird .
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer Weise :
Figur 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung;
Figur 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung.
Die Figur 2 zeigt einen dreiphasigen elektrischen Generator 5, insbesondere Synchron-Generator, wobei am Ausgang eine erste Phase 6, eine zweite Phase 7 und eine dritte Phase 8 ausgebildet ist. Die erste 6, zweite 7 und dritte Phase 8 werden an einen Transformator 9 angeschlossen. Die Sekundärseite 10 des Transformators 9 wird mit einem elektrischen Netz 11 verbunden. In der ersten Phase 6 ist eine erste Ab- leitung 12 vorgesehen, an die ein erster Schalter 13 und elektrischer Lasten 14 mit Erde 15 verbunden ist. Die zweite Phase 7 umfasst eine zweite Ableitung 16 und eine an die zweite Ableitung 16 angeschlossenen zweiten Schalter 17 und einen mit Erde 15 verbundene Last 18. Die dritte Phase 8 um- fasst eine dritte Abzweigung 19 und entsprechend einen drit¬ ten Schalter 20 und einen Last 21, der wiederum mit Erde 15 verbunden ist.
Die Phasen 6, 7 und 8 werden dabei über den Generatorschalter 25 mit dem Transformator 9 verbunden.
Die Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Der Unterschied zur Figur 2 besteht darin, dass die Lasten 14, 18 und 21 sich seriell zum Kurzschlusspfad im Transformatorsternpunkt auf der Hochspannungsseite befinden. Parallel zu den Lasten 14, 18 und 21 ist jeweils ein Schalter 22, 23 und 24 angeordnet. Der elektrische Generator 5 wird über eine Turbine (nicht dargestellt) angetrieben. Im Fehlerfall wird die in die Welle eingeprägte Turbinenleistung bis zur Netzrückkehr vom Generator 5 über zuschaltbare Lasten 14, 18, 21 zugeschaltet und in Wärme umgesetzt. Mit anderen Worten: im Fehlerfall wird über zuschaltbare Lasten 14, 18 und 21 die in die Welle einge¬ prägte Turbinenleistung bis zur Netzrückkehr vom Generator 5 elektrisch abgenommen und in Wärme umgesetzt. Während der Fehlerzeit bleibt der elektrische Generator 5 mit dem elekt¬ rischen Netz 11 verbunden. Eine Netzneusynchronisierung entfällt somit und es kann eine höhere Kraftwerksverfügbarkeit erzielt werden. Die für den jeweiligen Strang kritische Fehlerklärungszeit TKu ohne zusätzliche Lasten lässt sich allge¬ mein entsprechen folgender Formel analytisch bestimmen:
Figure imgf000007_0001
Dabei bedeuten
Nennkreisfrequenz
Massenträgheitsmoment des Gesamtstranges
maximaler transienter Spannungswinkel zum Erhalt
Stabilität des Turbosatzes
transienter Spannungswinkel vor Kurzschlusseintritt Turbinenleistung
Die Lasten 14, 18 und 21, die als elektrische Widerstände ausgebildet sein können, führen die im Fehlerfall zur Wellenbeschleunigung beitragende Turbinenleistung ab, wodurch die kritische Fehlerklärungszeit erheblich verlängert und dadurch zu einer Vergrößerung der Transientenstabilität des elektrischen Generators 5, insbesondere Synchron-Generators über im Kurzschlussfall zuschaltbare Belastungswiderstände 14, 18 und 21. Die in Figur 2 dargestellten Lastwiderstände 14, 18 und 21 liegen parallel zum Transformator 9 auf der Transformator- Unterspannungsseite, um die im Kurzschlussfall vorhandene Kurzschlussrestspannung über der Transformatorlängsimpedanz zu nutzen. Die zusätzliche Verwendung von einstellbaren Reaktanzen kann die Reaktivität der Schaltung sogar noch verbessern . Die Figur 2 zeigt die Topologie zu dieser ersten Ausführungs¬ form der Erfindung.
Die Topologie der zweiten Ausführungsform wird in der Figur 3 gezeigt. Die Lastwiderstände 14, 18 und 21 befinden sich se- riell zum Kurzschlusspfad im Transformatorsternpunkt auf der Hochspannungsseite. Sie werden durch Öffnen der parallelen Schalter 22, 23, 24 in den Kurzschluss geschaltet.
Somit wird vorteilhafter Weise die kritische Fehlerklärungs- zeit für elektrische Generatoren 5 im Fehlerfall erhöht und zwar sowohl auf der Transformatorunterspannungs- sowie der Transformatoroberspannungsseite . Eine Erweiterung der Schal- tungstopologie mit schaltbaren bzw. einstellbaren Reaktanzen kann die Fehlerklärungszeit noch weiter erhöhen.
Erfindungsgemäß kann somit die kritische Fehlerklärungszeit erheblich gesteigert werden ohne konstruktionstechnische Än¬ derungen an Turbine und Generator 5 vornehmen zu müssen, was zu einer kostengünstigen Maßnahme der hier dargestellten Erfindung führt. Außerdem ist keine Netztrennung während des zeitlich begrenzten Kurschlusses erforderlich, so dass eine permanente Verfügbarkeit des elektrischen Generators 5 ohne Neusynchronisation realisierbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Verlängerung der Fehlerklärungszeit um- fassend
einen elektrischen Generator (5) , insbesondere Synchron- Generator und
elektrische Lasten (14, 18, 21) und
einem Bauteil ausgebildet zum Erkennen eines Kurzschluss- falls,
wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass im Kurz¬ schlussfall die elektrischen Lasten (14, 18, 21) mit dem elektrischen Generator (5) verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die elektrischen Lasten als Lastwiderstände ausgebil¬ det sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
mit einem Transformator (9), der mit dem elektrischen Generator (5) verbunden ist,
wobei die elektrischen Lasten (14, 18, 21) parallel zum Transformator (9) geschaltet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
mit einem Transformator (9), der mit dem elektrischen Generator (5) verbunden ist,
wobei die elektrischen Lasten (14, 18, 21) seriell zum Kurzschlusspfad im Transformatorsternpunkt auf der Hoch¬ spannungsseite angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
wobei die elektrischen Lasten (14, 18, 21) mit parallel angeordneten Schaltern (22, 23, 24) ausgebildet sind und im Kurzschlussfall die Schalter geöffnet werden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Generator (5) , insbesondere Synchron- Generator dreiphasig ausgebildet ist.
7. Verfahren zum Verlängern der Fehlerklärungszeit bei einem elektrischen Generator (5) , insbesondere Synchron- Generator der an ein elektrisches Verbrauchernetz (11) angeschlossen ist,
wobei im Kurzschlussfall zusätzliche elektrische Lasten (14, 18, 21) zugeschaltet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
wobei die elektrischen Lasten (14, 18, 21) als Lastwiderstände ausgebildet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
wobei die elektrische Lasten (14, 18, 21) parallel zu einem an den elektrischen Generator (5) , insbesondere Synchron- Generator angeschlossenen Transformator (9) liegen.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
wobei die elektrischen Lasten (14, 18, 21) seriell zum Kurzschlusspfad im Transformatorsternpunkt angeordnet wer¬ den und im Kurzschlussfall parallel zu den elektrischen Lasten (14, 18, 21) angeordnete Schalter geöffnet werden.
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