DE4330944C2

DE4330944C2 - Verfahren zur prädiktiven Strombegrenzung bei einem statischen Bahnstrom-Umrichter

Info

Publication number: DE4330944C2
Application number: DE19934330944
Authority: DE
Inventors: Jian Dr Ing Xie
Original assignee: AEG Westinghouse Transport Systeme GmbH; AEG Westinghouse Transportation Systems Inc
Current assignee: BICC Holdings GmbH
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2013-09-09
Also published as: DE4330944A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur prädiktiven Strombegrenzung bei einem statischen Bahnstrom-Umrichter.

Zur Bereitstellung von 16 2/3-Hz-Energie für die Bahnstromversorgung werden z. Z. zunehmend statische Umrichter mit Leistungshalbleitern (GTOs) eingesetzt, die recht empfindlich gegen Überströme sind.

Aus Elektrische Bahnen (1991) 11, S. 398/82 bis 400/84 ist ein statischer Bahnstrom-Umrichter bekannt, der spannungs- und frequenzgeregelt betrieben wird und der Kupplung von Bahn- und Landesnetz dient. Zum Einsatz kommen Pulswechselrichter und Vierqudrantensteller. Bei stromstarken Störfällen wird nur auf maximalen Strom von 120% begrenzt. Eine solche Strombegrenzung allein ist oft nicht ausreichend; es ergeben sich auch häufig Probleme mit den üblichen Schutzeinrichtungen.

Bei Netzstörungen (Netzkurzschlüssen) oder Überlast auf Bahnstromleitungen oder Fahrleitungen darf und soll durch die üblichen Schutzeinrichtungen nur die fehlerhafte Leitungsstrecke abgeschaltet werden. Diese Selektivität wird durch den Einsatz von sogenannten Distanzrelais erreicht, die eine mehrstufige Impedanz-Zeit- Staffelkennlinie haben. Bei Netzkurzschlüssen nimmt die Impedanz mit der Entfernung der Kurzschlußstelle zu. Tritt der Kurzschluß in einer kleinen Entfernung auf, spricht das Distanzrelais schon nach nur einer kleinen Verzögerung an (entsprechend Stufe I, z. B. 0,1 s). Liegt die Fehlerstelle dagegen in einer großen Entfernung, reagiert das Relais erst dann, wenn die fehlerhafte Strecke nach einer bestimmten Zeit (Staffelzeit, z. B. 0,75 s bzw. Reservezeit, z. B. 1,6 s) noch nicht vom näher an der Fehlerstelle liegenden Leistungsschalter abgeschaltet wurde.

Zur Wahrung der Selektivität des Leitungsschutzes darf der statische Umrichter bei Netzstörungen nicht sofort vom Netz abgetrennt oder gesperrt werden. Andererseits ergibt sich bei einem Zeitverzug die Gefahr der Zerstörung der Leistungshalbleiter (GTOs) des statischen Umrichters.

In vielen Fällen werden deshalb die Umrichter bei Netzstörungen zur Strombegrenzung und zum eigenen Schutz doch sofort oder nur wenig verzögert abgeschaltet oder gesperrt, was die Selektivität beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu erstellen, bei dem die Umrichter bei Netzstörungen (Netzkurzschlüssen oder Überlast) nicht sofort vom Netz abgeschaltet oder getrennt werden müssen, sondern mit dem sich unter Wahrung der Leitungsstreckenselektivität durch besondere Maßnahmen der Fehlerstrom auf zulässige Werte begrenzen läßt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gemäß Anspruch 1 durch ein Verfahren erreicht, bei dem zur prädiktiven Strombegrenzung folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:

a) die Halbleiter des Umrichters werden über einen Pulsmustergenerator gesteuert, dem Spannungssollwerte periodisch abgetasteter Kennlinien zugeführt werden;
b) jeweils am Anfang jeder Abtastperiode (T) wird der sich voraussichtlich am Ende der jeweiligen Abtastperiode (T) einstellende Umrichterstrom (is_chätz) vorausbestimmt und mit einem maximal zulässigen Wert des Umrichterstrom (i_zul) verglichen;
c) bei einem Unerschreiten des maximal zulässigen Umrichterstroms (i_zul) wird der vorgegebene Spannungssollwert (U_sol) unverändert beibehalten und
d) bei Überschreiten wird zur Strombegrenzung ein veränderter, reduzierter Spannungssollwert (U′_sol) an den Pulsmustergenerator (4) weitergegeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die Veröffentlichung von Adibi A.: "High speed and high precision digital relais in very high voltage power systems" in Proc. of the 35th Midwest Symp. on Circuits and Syst./Vol. 1, Washington, USA, Auf. 9-12, 1992/Piscataway: IEEE Seite 385-390 ist bereits eine Methode für einen Distanzschutz in Hochspannungsnetzen unter Einsatz einer prädiktiven Strombegrenzung bekannt geworden. Die dabei verwendeten Mittel und die Methode an sich sind jedoch weder für den Einsatz bei statischen Bahnstrom-Umformern geeignet, noch wird die gestellte Aufgabe gelöst.

Anhand der Zeichnungsfiguren wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Struktur der Steuerung und Regelung des bahnseitigen statischen Bahnstromumrichters 1. Der Spannungssollwert U*_sol wird nach Kennlinien f(P) und U(Q) vorgegeben. Dieser Spannungssollwert U*_sol wird dann in einer Abtastung 2 mit einer Abtastzeit T erfaßt. Die Abtastzeit T beträgt eine halbe Schaltperiode des Umrichters. Bevor der abgetastete Spannungssollwert U_sol an den Pulsmustergenerator (PMG) 4 weitergegeben wird, prüft eine Strombegrenzung 3, ob durch den Spannungssollwert Überströme im Umrichter verursacht werden können. Ist das der Fall, wird ein neuer Spannungssollwert U′_sol von der Strombegrenzung 3 erzeugt. Da die Schaltfrequenz des Umrichters 1 auf einen sehr kleinen Wert (150 Hz) beschränkt wird und der Stromanstieg bei einem Netzkurzschluß sehr schnell ist, müssen folgende Anforderungen an die Strombegrenzung 3 gestellt werden:

1. Die Strombegrenzung darf nicht erst reagieren, wenn der Umrichterstrom den zulässigen Wert schon überschritten hat.
2. Da der Überstrom nicht nur von Netzkurzschlüssen, sondern auch von Überlastungen hervorgerufen werden kann, muß die Strombegrenzung 3 in der Lage sein, den Spannungssollwert auf den richtigen Wert zu reduzieren.

Diese Anforderungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der prädiktiven Strombegrenzung erfüllt werden. Die erfindungsgemäße prädiktive Strombegrenzung liegt zwischen Abtastung 2 und Pulsmustergenerator 4. Die Strombegrenzung 3 prüft, ob durch den von der Umrichterregelung vorgegebenen Spannungssollwert U_sol Überströme hervorgerufen werden. Ist das der Fall, wird von der Strombegrenzung ein reduzierter Spannungssollwert U′_sol erzeugt und an den Pulsmustergenerator 4 weitergegeben. Dadurch wird die Umrichterspannung verringert und der Umrichterstrom begrenzt.

Ziel der prädiktiven Strombegrenzung ist, bereits am Anfang einer Abtastperiode den Umrichterstrom zum Ende der Abtastperiode zu berechnen, um einen Überstrom frühzeitig zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten, bevor der Umrichterstrom seinen maximal zulässigen Wert überschritten hat. Fig. 2 zeigt das Prinzip der prädiktiven Strombegrenzung anhand eines Ersatzschaltbildes. Der bahnnetzseitige Transformator ist hier durch seinen Widerstand R_Tr und seine Streuinduktivität L_Tr ersetzt. Der Umrichter ist als Spannungsquelle 5 nachgebildet. Durch Einsatz der Pulsbreitenmodulation ist der Mittelwert der Umrichterspannung gleich dem Spannungssollwert U_sol. Die Spannungsquelle 5 hat deswegen den Wert U_sol. Das Ersatzschaltbild mit Transformator und Umrichter kann mit der folgenden Differentialgleichung beschrieben werden:

U_sol = u_Tr + R_Tr _* i_Tr + L_Tr _* (di_Tr/dt)

mit u_Tr als Spannung und i_Tr als Strom des Transformators.

Diese Differentialgleichung kann für eine Abtastperiode in eine Differenzengleichung umgewandelt werden:

U_sol = u_Tr + R_Tr _* i_Tr + L_Tr _* (Δi_Tr/T)

mit i_Tr als die Änderung des Transformatorstroms i_Tr in der Abtastperiode und T als Abtastzeit.

Für die Prädiktion des Transformatorstroms werden noch momentane Meßwerte von Transformatorspannung u_Tr und -strom i_Tr benötigt.

Danach kann der Umrichterstrom bzw. Transformatorstrom i_Schätz am Ende einer Abtastperiode mit der folgenden Differenzengleichung berechnet werden:

i_Schätz = [(U_sol - u_Tr - R_Tr _* i_Tr)] _* T/L_Tr + i_Tr (Gleichung 1)

Dabei stellt U_sol den von der Umrichterregelung vorgegebenen Spannungssollwert, u_Tr und i_Tr den momentanen Meßwert von Transformatorspannung und -strom, R_Tr und L_Tr den Transformatorwiderstand und die Transformatorstreuinduktivität und T die Abtastzeit dar. Durch die Berechnung wird geprüft, ob der Schätzwert i_Schätz den maximal zulässigen Umrichterstrom überschreiten wird. Wenn "Nein", wird der Spannungssollwert U_sol unverändert an den Pulsmustergenerator 4 weitergegeben. Wenn "Ja", wird ein neuer Spannungssollwert U′_sol nach der folgenden Gleichung erzeugt:

U′_sol = u_Tr + R_Tr _* i_Tr + L_Tr _* [(i_zul - i_Tr)/T (Gleichung 2)

mit i_zu1 als zulässigen Wert für den Umrichterstrom.

Fig. 3 zeigt den beschriebenen Verfahrensablauf pro Abtastperiode anhand eines Flußdiagramms. Nach Messung der Transformatorspannung U_Tr und des Transformatorstromes i_Tr wird der voraussichtliche Umrichterstrom i_Schätz nach Gleichung 1 berechnet. Wenn der voraussichtliche Umrichterstrom i_Schätz kleiner als der zulässige Strom i_zul ist, wird U_sol an den Pulsmustergenerator 4 weitergegeben. Ist i_Schätz größer als i_zul, wird nach Gleichung 2 ein neuer Spannungssollwert U′_sol berechnet und weitergegeben. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Umrichterstrom bei Netzstörungen auf den zulässigen Wert begrenzt werden. Für die statischen Bahnumrichter besteht deswegen keine Gefahr mehr, bei Netzstörungen durch Überströme geschädigt zu werden, wenn die Umrichter bei Netzstörungen wegen des Oberleitungs- und Bahnstromleitungsschutzes nicht sofort vom Netz abgeschaltet oder gesperrt werden dürfen.

Claims

1. Verfahren zur prädiktiven Strombegrenzung bei einem statischen Bahnstrom-Umrichter, der - spannungs- und frequenzgeregelt betrieben - auf einen bahnnetzseitigen Transformator speist mit folgenden Verfahrensschritten:

a) die Halbleiter des Umrichters werden über einen Pulsmustergenerator gesteuert, dem Spannungssollwerte periodisch abgetasteter Kennlinien zugeführt werden;
b) jeweils am Anfang jeder Abtastperiode (T) wird der sich voraussichtlich am Ende der jeweiligen Abtastperiode (T) einstellende Umrichterstrom (i_Schätz) vorausbestimmt und mit einem maximal zulässigen Wert des Umrichterstrom (i_zul) verglichen;
c) bei einem Unerschreiten des maximal zulässigen Umrichterstroms (i_zul) wird der vorgegebene Spannungssollwert (U_sol) unverändert beibehalten und
d) bei Überschreiten wird zur Strombegrenzung ein veränderter, reduzierter Spannungssollwert (U′_sol) an den Pulsmustergenerator (4) weitergegeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der während einer Abtastperiode (T) sich voraussichtlich einstellende Umrichterstrom (i_Schätz) nach der Differenzengleichung i_Schätz = [(U_sol - u_Tr - R_Tr _* i_Tr) _* T/L_Tr] + i_Tr (Gleichung 1)ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Überstroms die Umrichterspannung über den veränderten reduzierten Spannungssollwert (U′_sol) herabgesetzt wird, der nach der Gleichung U′_sol = u_Tr + R_Tr _* i_Tr + L_Tr _* [(i_zul - i_Tr)/T] (Gleichung 2)bestimmt wird.
In den Gleichungen bedeuten:U_sol = von Umrichterregelung vorgegebener Spannungssollwert
U′_sol = reduzierter Spannungssollwert
u_Tr = momentaner Meßwert der Transformatorspannung
i_Tr = momentaner Meßwert des Transformatorstromes
R_Tr = Transformatorwiderstand
L_Tr = Transformatorstreuinduktivität
T = Abtastzeit
i_zu1 = zulässiger Wert des Umrichterstromes.