DE19847680A1 - Verfahren zur Steuerung eines 12-pulsigen Stromrichters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines 12-pulsigen Stromrichters (2), dessen beide Teilstromrichter (8, 10) wechselstromseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung (12, 14) eines Transformators (4) verknüpft sind, dessen Primärwicklung (16) mit einem Drehstromnetz (18) verbunden ist. Erfindungsgemäß werden in Abhängigkeit von gemessenen Netzphasenspannungen (u¶L1¶(t), u¶L2¶(t), u¶L3¶(t)) und eines gemessenen Gleichstromes (i¶d¶(t)) oder alternativ dazu gemessenen Strangströmen (i¶L1¶(t), i¶L2¶(t), i¶L3¶(t) Zündwinkelverschiebungen (DELTAalpha¶m¶) ermittelt, die dem vorbestimmten äquidistanten Zündwinkel (alpha) paarweise überlagert werden. Somit ist das bekannte Verfahren zur Steuerung eines 12-pulsigen Stromrichters (2) derartig modifiziert, daß Harmonische, die durch ein Spannungs-Gegensystem in Verbindung mit einer völlig oder nahezu äqidistanten Ventilzündung hervorgerufen werden, kompensiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines 12-pulsigen Stromrichters, dessen beide Teilstromrich­ ter wechselstromseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung ei­ nes Transformators verknüpft sind, dessen Primärwicklung mit einem Drehstromnetz verbunden ist.

Eine derartige Stromrichteranordnung wird bei einer Hochspan­ nungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlage (HGÜ-Anlage) verwendet. Diese Stromrichteranordnung kann dabei als Gleichrichter bzw. als Wechselrichter betrieben werden. Die Teilstromrichter dieses 12-pulsigen Stromrichters werden jeweils äquidistant angesteuert.

Ein Gegensystem der Spannungsgrundschwingung am netzseitigen Anschlußpunkt des 12-pulsigen Stromrichters ruft bei äquidi­ stanter Ansteuerung seiner Stromrichterventile signifikante 2. Harmonische des Stromes und der Spannung auf der Gleich­ stromseite dieses 12-pulsigen Stromrichters hervor. Diese 2. Harmonische des Gleichstromes bedingt auf der Drehstrom­ seite vor allem ein nicht-charakteristisches Strom-Gegensy­ stem der Grundharmonischen sowie ein nicht-charakteristisches Strom-Mitsystem der 3. Harmonischen. Zusätzlich zu diesen di­ rekt mit der 2. Stromharmonischen verbundenen Komponenten dieser beiden netzseitigen nicht-charakteristischen Harmoni­ schen werden durch die mit der Spannungsunsymmetrie verbunde­ nen Divergenz der Kommutierungswinkel weitere Komponenten dieser Harmonischen erzeugt. Diese erscheinen jedoch nur auf der Drehstromseite. Diese nicht-charakteristischen Harmoni­ schen, die zusätzlich zu den sogenannten charakteristischen Harmonischen entstehen, haben negative Wirkungen sowohl für das Netz als auch für die Anlage, welche einen solchen 12- pulsigen Stromrichter aufweist.

Harmonische werden normalerweise durch Einsatz von Saugkrei­ sen reduziert. Diese Saugkreise können passive Bauelemente, wie Drosseln, Kondensatoren und Widerstände oder aktive Bau­ elemente, wie leistungselektronische Glieder, besitzen. Diese passiven bzw. aktiven Saugkreise werden beispielsweise bei einer HGÜ-Anlage vor allem für die sogenannten charakteristi­ schen Harmonischen ausgelegt. Die nicht-charakteristischen Harmonischen können dadurch begrenzt werden, daß die vorhan­ denen Saugkreise erweitert werden. Diese Erweiterung führt jedoch zu hohen zusätzlichen Kosten der HGÜ-Anlage.

In dem Aufsatz "Anisotrope Thyristorbrücken", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "Archiv für Elektrotechnik", Band 72, 1989, Seiten 263 bis 275, werden die Auswirkungen von Steue­ rungsunsymmetrien auf den stationären Klemmenstrom 6-pulsiger Thyristorbrücken mit der Theorie der symmetrischen Komponen­ ten rechnerisch verfolgt. Dabei werden analytische Gleichun­ gen zur Bestimmung der Steuerungsunsymmetrie aus gemessenen Irregularitäten des Klemmenstromes angegeben. Außerdem wird in diesem Aufsatz eine Symmetrierungsregelung HGÜ-gespeister Netze geringer Kurzschlußleistung angegeben, die mit minima­ len Zündwinkeländerungen des Wechselrichters auskommt. Mit­ tels dieser Symmetrieregelung soll die Netzspannung am An­ schlußpunkt der HGÜ-Anlage symmetriert werden. Hierzu wird zunächst die Spannungsgegenkomponente der Grundschwingung als Regelgröße aus einem ermittelten Spannungsraumzeiger heraus­ gefiltert. Außerdem weist diese Symmetrieregelung einen Pha­ senregler, einen Betragsregler, einen Festwertspeicher mit abgelegter Sinusfunktion, eine Einrichtung zur Generierung von Fehlzündwinkel und einen Addierer, an dessen einem Ein­ gang äquidistante Zündwinkel anstehen. Die beiden Regler sind nie gleichzeitig im Betrieb. Bei der Symmetrierung des Netzes durch eine nicht-äquidistante Zündimpulsabgabe entstehen un­ vermeidliche Stromoberschwingungen, die beträchtlich sind. Aus dem Aufsatz "Nicht-charakteristische Ströme beim Betrieb der Drehstrom-Brückenschaltung am nicht-idealen Netz", abge­ druckt in der DE-Zeitschrift "etzArchiv", Band 9, 1987, Heft 5, Seiten 153 bis 161, ist bekannt, daß bei nicht-äquidistan­ ter Zündwinkelvorgabe, beispielsweise bei dynamischen Vorgän­ gen oder defekter Steuereinheit, Stromrichter nichtcharakte­ ristische Ströme erzeugen, die neben einem Grundschwingungs- Gegensystem auch irreguläre Oberschwingungen und Gleichglie­ der enthalten können. Ähnliche Effekte ergeben sich auch bei Ventilausfall und bei Betrieb an einer Netzspannung, die un­ symmetrisch oder durch Harmonische verzehrt ist. In diesem Aufsatz werden die Abhängigkeiten dieser nichtcharakteristi­ schen Ströme von den Parametern des Gleichstromkreises sowie von der Unsymmetrie und Verzerrung der Netzspannung unter­ sucht und leicht anwendbare Näherungen abgeleitet.

Da sich die Einflüsse, die sich aus unterschiedlichen physi­ kalischen Ursachen ergeben, näherungsweise linear überlagern, erscheint es den Autoren dieses Aufsatzes möglich, z. B. vor­ handene Unsymmetrien oder Oberschwingungen in der Netzspan­ nung durch gezielte nicht-äquidistante Zündwinkel-Steuerung auszugleichen. Dabei ist jedoch gemäß der Auffassung der Au­ toren zu bedenken, daß die Verbesserung, die sich bezüglich eines Stör-Einflusses erreichen läßt, meist mit einer Ver­ schlechterung bei den anderen Störeinflüssen verbunden ist. Weiter wird in der Schlußbetrachtung darauf hingewiesen, daß bei vorwiegend kapazitiver Netzimpedanz im Oberschwingungsbe­ reich, die in vielen Industrienetzen oder auch bei HGÜ-Anla­ gen durch die oft vorhandenen Filterkreise gegeben ist, es jedoch möglich erscheint, z. B. zur Kompensation der Unsymme­ trie des Grundschwingungs-Systems höhere oberschwingungsströ­ me in Kauf zu nehmen, ohne daß die Spannungsharmonischen un­ zulässig ansteigen. Dabei ist auf die Belastbarkeit der Fil­ ter zu achten.

In Anlagen mit mehreren Stromrichtern kann unter Umständen der Ventilausfall bei einer Anlage durch eine nicht-äquidi­ stante Zündwinkel-Einstellung der übrigen Stromrichter wenig­ stens zeitweise kompensiert werden, so daß ein vorübergehen­ der Weiterbetrieb ermöglicht wird.

In diesem Aufsatz wird jedoch nicht angegeben, wie die Zünd­ zeitpunkte verschoben werden müssen, damit die durch das Spannungs-Gegensystem hervorgerufenen Harmonischen reduziert werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren zur Steuerung eines 12-pulsigen Stromrichters der­ art zu modifizieren, daß Harmonische, die durch ein Span­ nungs-Gegensystem in Verbindung mit einer äquidistanten Ven­ tilzündung hervorgerufen werden, kompensiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensmerkma­ len des Anspruches 1 gelöst.

Damit die gleichstrom- und drehstromseitigen nichtcharakte­ ristischen Harmonischen in ihrer Amplitude in Folge einer Zündwinkelverschiebung reduziert werden können, muß zunächst die Höhe der Spannungsunsymmetrie ermittelt werden. Diese Spannungsunsymmetrie wird durch einen ermittelten komplexen Unsymmetriefaktor beschrieben, der aus gemessenen Netzspan­ nungen ermittelt wird. Die zielgerichtete Zündwinkelverschie­ bung äquidistanter Zündwinkel wird durch einen ermittelten komplexen Steuerungsfaktor beschrieben. Diese Zündwinkelver­ schiebung der äquidistanten Zündwinkel erfolgt paarweise, d. h., es werden die Zündzeitpunkte der Ventile des gleichen Stranges um denselben Winkel und in dieselbe Richtung ver­ schoben.

Durch die Ermittlung eines komplexen Unsymmetriefaktors kann in Abhängigkeit einer ermittelten komplexen Spannungsamplitu­ de eines Spannungsmitsystems der Grundharmonischen sowie Be­ triebs- und Anlagenparametern eine durch ein Spannungsgegen­ system bei äquidistanter Ventilzündung verursachte Stromhar­ monische 2. Ordnung auf der Gleichstromseite des 12-pulsigen Stromrichters berechnet werden, aus der dann mittels eines komplexen Steuerungsfaktors paarweise Zündwinkelverschiebun­ gen bestimmt werden, die dem äquidistanten Zündwinkel überla­ gert werden, wodurch die Kompensation der genannten gleich­ stromseitigen 2. Stromharmonischen durch eine auf diese Weise generierte, um 180° verschobene, 2. Stromharmonische möglich wird.

Die Rechenungenauigkeit bedingt eine Restkomponente aus der Kompensation auf der Gleichstromseite des 12-pulsigen Strom­ richters, d. h., die durch ein Spannungsgegensystem bei äqui­ distanter Ventilzündung verursachte 2. Stromharmonische ist nicht vollständig kompensiert worden. Diese Rechenungenauig­ keit wird mittels eines vorteilhaften Verfahrens eliminiert. Außerdem werden damit auch die durch andere Ursachen beding­ ten Komponenten der 2. Stromharmonischen erfaßt.

Dieses vorteilhafte Verfahren weist neben den bereits aufge­ führten Verfahrensschritten weitere Verfahrensschritte auf. Dabei handelt es sich um eine gleichstromseitige Strommessung mit anschließender Tiefpaßfilterung und der Ermittlung einer komplexen Stromamplitude der 2. Harmonischen des gemessenen Gleichstromes. Nachdem diese komplexe Stromamplitude ermit­ telt worden ist, wird daraus ein komplexer Korrektursteue­ rungsfaktor abgeleitet, der dem komplexen Führungssteuerungs­ faktor überlagert wird. Mittels des daraus resultierenden korrigierten komplexen Steuerungsfaktors werden die paarwei­ sen Zündwinkelverschiebungen ermittelt. Mittels des komplexen Korrektursteuerungsfaktors kann die durch Rechenungenauigkei­ ten oder andere Ursachen bedingte Restkomponente der 2. Har­ monischen auf der Gleichstromseite kompensiert werden.

Diese Rechenvorgänge werden auch bei der Kompensation eines nichtcharakteristischen Strom-Gegensystems der Grundharmoni­ schen sowie eines nicht-charakteristischen Strom-Mitsystems der 3. Harmonischen angewendet. Ausgangspunkt ist immer ein ermittelter komplexer Unsymmetriefaktor, aus dem ein komple­ xer Führungssteuerungsfaktor bestimmt wird. Um die durch Re­ chenungenauigkeiten bedingten Komponenten der 3. Harmonischen zu kompensieren, wird aus gemessenen Leiterströmen ein kom­ plexer Korrektursteuerungsfaktor ermittelt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer eingangs ge­ nannten Stromrichteranordnung, die

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens in Form eines Ablauf­ diagramms, in

Fig. 3 ist ein zugehöriges Zeigerdiagramm dargestellt, die

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens in Form eines Ablauf­ diagramms, wobei die

Fig. 5 einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 4 näher darstellt, in der

Fig. 6 ist ein zugehöriges Zeigerdiagramm dargestellt, die

Fig. 7 und 9 zeigen weitere Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens, wobei die

Fig. 8 und 11 bis 13 zugehörige Zeigerdiagramme darstellen, wobei die

Fig. 10 einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 9 näher darstellt.

Die Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Stromrichteranord­ nung, die einen 12-pulsigen Stromrichter 2 mit einem Trans­ formator 4 und eine Steuereinrichtung 6 aufweist. Der 12-pul­ sige Stromrichter 2 weist zwei Teilstromrichter 8 und 10 auf, die wechselstromseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung 12 und 14 des Transformators 4 verknüpft sind. Als Transformator 4 ist ein Yyd-Transformator vorgesehen. Die Primärwicklung 16 ist drehstromseitig mit einem Drehstromnetz 18 verbunden.

Drehstromseitig sind Meßinstrumente für die Netzphasenströme i_L1(t), i_L2(t), i_L3(t) und für die Netzphasenspannungen u_L1(t), u_L2(t), u_L3(t) vorhanden, die ausgangsseitig mit Eingängen der Steuereinrichtung 6 verknüpft sind. Außerdem ist ein Meßin­ strument auf der Gleichstromseite des 12-pulsigen Stromrich­ ters 2 angeordnet, dessen Ausgang ebenfalls mit einem Eingang der Steuereinrichtung 6 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 6 ist unterteilt in eine Hardware 20 und eine Software 22. Ausgangsseitig ist diese Steuereinrichtung 6 mit Steuerein­ gängen der Teilstromrichter 8 und 10 verbunden. Die Software 22 der Steuereinrichtung 6 liefert äquidistante Zündwinkel α. Eine derartige Stromrichteranordnung mit der Software 22 der Steuereinrichtung 6 ist bekannt.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Software 22 der Steuereinrichtung 6 mit einer zusätzlichen Ansteuervorschrift 24 versehen. Die zusätzliche Ansteuervor­ schrift 24 liefert die Zündwinkelverschiebungen Δα_m.

Wird eine derartige Stromrichteranordnung nur mit äquidistan­ ten Zündwinkeln α angesteuert und tritt im Drehstromnetz 18 ein Spannungs-Gegensystem auf, so wird eine 2. Harmonische des Stromes auf der Gleichstromseite hervorgerufen. Mit Hilfe der zusätzlichen Ansteuervorschrift 24 werden die durch die Unsymmetrie der Netzspannung hervorgerufenen niederfrequenten nicht-charakteristischen Harmonischen reduziert.

In der Fig. 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Ablaufdiagramms näher dargestellt. Diese Ausführungsform hat das Ziel, die 2. Harmonische auf der Gleichstromseite zu kompensieren. Anhand dieser Darstel­ lung soll nun das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wer­ den:
Mittels der drehstromseitigen Meßinstrumente werden die Netz­ phasenspannungen u_L1(t), u_L2(t), u_L3(t) am netzseitigen An­ schlußpunkt der Stromrichteranordnung gemessen. Diese gemes­ senen Netzphasenspannungen u_L1(t), u_L2(t), u_L3(t) werden tief­ paßgefiltert, so daß man jeweils eine Grundschwingung u_L1-1 (t), u_L2-1(t), u_L3-1(t) der Netzphasenspannungen u_L1(t), u_L2(t), u_L3(t) erhält: Zu jeder Grundschwingung u_L1-1(t), u_L2-1(t), u_L3-1(t) wird mittels einer vereinfachten Spektral­ analyse jeweils die zugehörige komplexe Spannungsamplitude Û _L1-1, Û _L2-1 und Û _L3-1 ermittelt. Aus diesen komplexen Span­ nungsamplituden Û _L1-1, Û _L2-1 und Û _L3-1 der Grundschwingung der Netzphasenspannung werden mit den beiden angegebenen Symme­ triegleichungen eine komplexe Spannungsamplitude Û _(1)-1 und Û _(2)-1 einer Mit- und Gegensystem-Grundschwingung berechnet. Mit Hilfe dieser komplexen Spannungsamplituden Û _(1)-1 und Û _(2)-1 der Mit- und Gegensystem-Grundschwingung wird ein komplexen Unsymmetriefaktor k _u berechnet, der der Quotient aus den kom­ plexer Spannungsamplituden Û _(2)-1 und Û _(1)-1 des Gegen- und Mit­ systems der am Anschlußpunkt anliegenden Grundschwingung der Netzspannung ist.

Mit dem Meßinstrument auf der Gleichstromseite des 12-pulsi­ gen Stromrichters 2 wird der fließende Gleichstrom i_d(t) er­ faßt und anschließend tiefpaßgefiltert. Als Ergebnis dieser Filterung erhält man eine Gleichstromamplitude I_d und eine 2. Harmonische i_d-2(t). In Abhängigkeit dieser Gleichstromampli­ tude I_d und einer Netzreaktanz X_N, einer Streureaktanz X_T ei­ nes Transformatorstranges und eines Steuerwinkels α wird der Betriebsparameter Kommutierungswinkel µ in bekannter Weise berechnet. Mit Hilfe dieses Kommutierungswinkels µ können nun die Anlagenparameter Gesamtstreureaktanz X_T-GES und Gesamt­ netzreaktanz X_N-GES ermittelt werden. Als nächstes wird eine komplexe Stromamplitude Î _d-2 ^U der 2. Harmonischen auf der Gleichstromseite berechnet, die durch eine Spannungsunsymme­ trie verursacht worden ist, wobei der komplexe Unsymmetrie­ faktor k _U, die komplexe Spannungsamplitude Û _(1)-1 der Mitsy­ stem-Grundschwingung und verschiedene Betriebs- und Anlagen­ parameter α, ü, R_d, L_d, I_d, µ, X_NGeS und X_T-GES verwendet wer­ den. Durch Negation dieser komplexen Stromamplitude I _d-2 ^U er­ hält man eine Führungsgröße I _d-2-SOLL ^S der komplexen Amplitude der 2. Stromharmonischen, aus der in Abhängigkeit von be­ stimmten Parametern ein komplexer Führungs-Steuerungsfaktor k _S-SOLL ermittelt wird.

Mittels einer vereinfachten Spektralanalyse bestimmt man zur herausgefilterten 2. Harmonischen i_d-2(t) des gemessenen Gleichstromes i_d(t) eine zugehörige komplexe Stromamplitude Î _d-2 ^M, aus der durch Negation eine komplexe Korrekturgröße ΔÎ _d-2-KORR ^S, der durch Zündwinkelverschiebung zur generierenden 2. Harmonischen wird. Aus dieser komplexen Korrekturgröße ΔÎ _d-2-KORR ^S wird in Abhängigkeit von Parametern ein komplexer Korrektursteuerungsfaktor Δk _S ermittelt. Dieser ermittelte komplexe Führungssteuerungsfaktor k_S-SOLL und der ermittelte komplexe Korrektursteuerungsfaktor Δk _S werden zu einem kom­ plexen Steuerungsfaktor k _s, addiert, aus dem für die Ventile der Teilstromrichter 8 und 10 jeweils paarweise Zündwinkel­ verschiebungen Δα_m, berechnet werden.

Im Zeigerdiagramm der Fig. 3 sind die berechnete komplexe Stromamplitude I _d-2 ^U der 2. Harmonischen auf der Gleichstrom­ seite des Stromrichters 2, die komplexe Führungsgröße Î _d-2-SOLL ^S, die komplexe Korrekturgröße ΔÎ _d-2-KORR ^S und die komple­ xe Stromamplitude I _d-2 ^M der 2. Harmonischen aus dem gemessenen Gleichstrom i_d(t) dargestellt. Man kann erkennen, daß die Führungsgröße Î _d-2-SOLL ^S die durch Spannungsunsymmetrie verur­ sachte komplexe Stromamplitude I _d-2 ^U nicht vollständig kompen­ sieren kann. Es existiert eine Restkomponente Î _d-2 ^REST, die durch Rechenungenauigkeit bedingt ist. Diese Restkomponente Î _d-2 ^REST und ein aus fremden Quellen stammender Anteil Î _d-2 ^F der 2. Harmonischen bilden die komplexe Stromamplitude Î _d-2 ^M der 2. Harmonischen des gemessenen Gleichstromes i_d(t). Damit auch diese komplexen Amplitude Î _d-2 ^M kompensiert wird, benö­ tigt man eine Korrekturgröße ΔÎ _d-2-KORR ^S, die genau der komple­ xen Amplitude Î _d-2 ^M entgegengesetzt ist. Die komplexen Ampli­ tudenzeiger Î _d-2-SOLL ^S und ΔÎ _d-2KORR ^S werden durch eine paarweise Zündwinkelverschiebung Δα_m äquidistanter Zündwinkel α er­ zeugt.

In der Fig. 4 ist das Ablaufdiagramm eines vorteilhaften Ver­ fahrens zur Steuerung des 12-pulsigen Stromrichters 2 veran­ schaulicht, wobei die Fig. 6 das zugehörige Zeigerdiagramm zeigt. Dieses Verfahren hat das Ziel, die 3. Harmonische auf der Drehstromseite zu reduzieren. Der aktuelle Ist-Wert der 3. Harmonischen wird dabei in guter Näherung aus dem gemesse­ nen Strom auf der Gleichstromseite ermittelt. Auf eine Strom­ messung auf der Netzseite kann damit verzichtet werden. Die durch das Spannungs-Gegensystem hervorgerufene 2. Stromharmo­ nische Î _d-2 ^U auf der Gleichstromseite tritt auf der Drehstrom­ seite als Summe eines Gegensystemzeigers der Grundharmoni­ schen und eines Mitsystemzeigers der 3. Harmonischen auf. Zu­ sätzlich zu diesem aus der 2. Harmonischen hervorgehenden Stromzeigers Î _W-(1)-3 ^U der 3. Harmonischen des Mitsystems, be­ dingt durch Spannungsunsymmetrie, erscheint nur auf der Dreh­ stromseite der Stromzeiger Î _I-(1)-3 ^U einer 3. Harmonischen des Mitsystems, welcher durch die Veränderung der Kommutierungs­ spannungen und -winkel infolge Spannungsunsymmetrie verur­ sacht wird. Der Stromzeiger Î _W-(1)-3 ^U beeinflußt die Welligkeit der Stromblöcke in den Phasen. Der in der Regel kleinere kom­ plexe Stromzeiger Î _I-(1)-3 ^U resultiert aus der unsymmetrischen Aufteilung von i_d(t) auf die Phasen infolge unterschiedli­ cher Kommutierungswinkel. Diese unsymmetrische Aufteilung hat unterschiedlich geformte Stromblöcke in den Strängen zur Fol­ ge. Aus der Differenz zwischen diesen unsymmetrischen Strom­ blöcken und den symmetrischen Stromblöcken bei symmetrischer Spannung, gleichen Kommutierungswinkeln und äquidistanter Zündung ergibt sich nach Fourieranalyse unter anderen der komplexe Zeiger Î _I-(1)-3 ^U. Dieser Zeiger tritt nur auf der Drehstromseite auf, da die unsymmetrische Aufteilung der Stromblöcke für die Gleichstromseite keine Bedeutung hat. Die Vektorsumme Î _N-(1)-3 ^U aus den Stromzeigern Î _W-(1)-3 ^U und Î _I-(1)-3 ^U soll durch den ebenfalls mitläufigen Stromzeiger Î _N-(1)-3-SOLL ^S der 3. Harmonischen, welcher durch kleine paarweise Zündwinkelver­ schiebungen Δα_m gezielt erzeugt wird, kompensiert werden. Dieser mitläufige Stromzeiger Î _N-(1)-3-SOLL ^S der eine Führungs­ größe für die Zündwinkelverschiebung darstellt, enthält die auch auf der Gleichstromseite meßbare Komponente Î _W-(1)-3 ^S der 3. Harmonischen (Mitsystem), generiert durch Zündwinkelver­ schiebung, sowie die nur auf der Drehstromseite auftretende Komponente Î _I-(1)-3 ^S der 3. Harmonischen (Mitsystem), bedingt durch Zündwinkelverschiebung. Rechenungenauigkeiten sowie die Art der Ist-Wertbestimmung bedingen eine Restkomponente Î _N-(1)-3 ^REST der 3. Harmonischen des Mitsystems, die hier nicht vollständig kompensiert wird. Der Grund dafür ist, daß bei der Messung der 2. Harmonischen auf der Gleichstromseite, welche - nach Umrechnung - zur Ist-Wertbestimmung der netz­ seitigen 3. Harmonischen dient, die durch Zusatzstromimpulse bedingten Komponenten nicht erfaßt werden können. Die Verän­ derung der Kommutierungswinkel und damit der Stromblöcke durch eine Spannungsunsymmetrie oder Zündwinkelverschiebungen Δα_m sowie die Veränderung der Stromblöcke durch die Zündwin­ kelverschiebungen selbst lassen sich in eine äquivalente Fol­ ge von zusätzlichen Stromimpulsen umrechnen. Die Spektralana­ lyse dieser Folge von Zusatzstromimpulsen liefert ein Spek­ trum nichtcharakteristischer Harmonischer, wobei das Gegensy­ stem der Grundharmonischen und das Mitsystem der 3. Harmoni­ schen die größten Amplituden aufweisen.

Auf der Gleichstromseite wird eine zu Î _W-(1)-3 ^M = Î _W-(1)-3 ^U + Î _W-(1)-3 ^S + Î _W-(1)-3 ^F äquivalente Vektorsumme ge­ messen, welche auf die Netzseite umgerechnet wird. Nach Abzug der Komponenten Î _W-(1)-3 ^S und Î _W-(1)-3 ^U verbleibt eine aus fremden Quellen stammende Komponente Î _W-(1)-3 ^F, welche bei der Kompensa­ tion Berücksichtigung findet. Neben den durch die Spannungs­ unsymmetrie und die Zündwinkelverschiebungen hervorgerufenen Stromzeigern der 2. (Gleichstromseite) und 3.

(Drehstromseite) Harmonischen werden außerdem allgemein frem­ de Quellen als Verursacher dieser Harmonischen angenommen. Als fremde Quelle ist vor allem das durch einen Wechselrich­ ter angekoppelte Drehstromnetz bei HGÜ (Hochspannungs- Gleichstrom-Ubertragung) und HGK (Hochspannungs-Gleichstrom- Kupplung) anzusehen. Solange der ideal geglättete Gleichstrom I_d wesentlich größer als die durch fremde Quellen verursachte Komponente Î _d-2 ^F ist, können Beeinflussungen der Kommutie­ rungswinkel aufgrund der mit Î _d-2 ^F verbundenen Welligkeit von i_d(t) vernachlässigt werden. Dies wird hier angenommen. Aus I _d-2 ^F resultieren auf der Drehstromseite im wesentlichen die Zeiger Î _W-(2)-1 ^F und Î _W-(1)-3 ^F. Auf die Betrachtung eines Zeigers Î _I-(1)-3 ^F kann wegen der vorgenannten Annahme verzichtet wer­ den. Die Negation dieser Komponente Î _W-(1)-3 ^F ergibt eine Kor­ rekturgröße ΔÎ _N-(1)-3-KORR ^S, aus der anschließend ein komplexer Korrektursteuerungsfaktor Δk_S ermittelt wird. Die Ermittlung der aus fremden Quellen stammenden Komponente Î _W-(1)-3 ^F ist im Ablaufdiagramm der Fig. 5 näher dargestellt. Bei gegenseitiger Auslöschung der gleichstromseitigen Stromzeiger I _d-2 ^U und Î _d-2-SOLL ² löschen sich die netzseitigen Stromzeiger der 3. Har­ monischen Î _W-(1)-3 ^Uund Î _W-(1)-3 ^S ebenfalls aus. Auf der Netzseite verbleibt jedoch die geometrische Summe aus den Stromzeigern der 3. Harmonischen Î _I(1)-3 ^U, und Î _I(1)-3 ^S und Î _W-(1)-3 ^F.

In der Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm eines weiteren vorteil­ haften Verfahrens zur Steuerung eines 12-pulsigen Stromrich­ ters 2 dargestellt. Ziel dieses Verfahrens ist wiederum die Kompensation bzw. Teilkompensation der 3. Harmonischen auf der Drehstromseite unabhängig von der Entwicklung des Pegels der 2. Harmonischen auf der Gleichstromseite. Der aktuelle Ist-Wert der 3. Harmonischen für die Regelung wird hier je­ doch aus den Strangströmen auf der Drehstromseite ermittelt. Auf eine Messung auf der Gleichstromseite kann verzichtet werden. Gemäß dem Verfahren nach Fig. 4 wird die durch Rechen­ ungenauigkeiten bedingte Restkomponente Î _N-(1)-3 ^REST der 3. Har­ monischen nicht vollständig kompensiert. Mittels des weiteren vorteilhaften Verfahrens nach Fig. 7 wird diese Restkomponente Î _N-(1)-3 ^REST nun vollständig kompensiert. Das dazugehörige Zei­ gerdiagramm ist in Figur. 8 abgebildet. Die Vektorsumme Î _N-(1)-3 ^U aus den Stromzeigern Î _W-(1)-3 ^U und Î _I-(1)-3 ^U wird durch einen mit­ läufigen Stromzeiger Î _N-(1)-3-SOLL ^S, welcher durch kleine paarwei­ se Zündwinkelverschiebungen Δα_m, gezielt erzeugt wird, kompen­ siert. Dieser Stromzeiger Î _N-(1)-3-SOLL ^S enthält die auch auf der Gleichstromseite in äquivalenter Form erscheinende Komponente Î _W-(1)-3 ^S sowie die nur auf der Drehstromseite auftretende Kom­ ponente Î _I-(1)-3 ^S . Damit die Restkomponente Î _N-(1)-3 ^REST und eine über die Gleichstromseite eingekoppelte Teilkomponente Î _W-(1)-3 ^F kompensiert werden können, muß eine komplexe Korrekturgröße ΔÎ _N-(1)-3-KORR ^S generiert werden, die der Vektorsumme Î _N-(1)-3 ^M aus der Restkomponente Î _N-(1)-3 ^REST und der Teilkomponente Î _W-(1)-3 ^F ent­ gegengerichtet ist. Die Amplitude von ΔÎ _N-(1)-3-KORR ^S soll der gemessenen Vektorsumme Î _N-(1)-3 ^M entsprechen.

Die komplexe Stromamplitude Î _N-(1)-3 ^M wird aus den gemessenen Netzphasenströmen i_L1(t), i_L2(t), i_L3(t) ermittelt. Dazu werden diese gemessenen Netzphasenströme i_L1(t), i_L2(t), i_L3(t) tief­ paßgefiltert, wodurch man jeweils eine Grundschwingung i_L1-1(t), i_L2-1(t), i_L3-1(t) und eine 3. Harmonische i_L1-3 (t), i_L2-3(t), i_L3-3(t) des Netzphasenstromes erhält. Mittels einer vereinfachten Spektralanalyse erhält man jeweils die zugehö­ rigen komplexen Stromamplituden Î _L1-1, Î _L2-1, Î _L3-1 und Î _L1-3, Î _L2-3, Î _L3-3 der Grundschwingung und der 3. Harmonischen des Netzphasenstromes. Aus diesen komplexen Stromamplituden Î _L1-1, Î _L2-1, Î _L3-1 und Î _L1-3, Î _L2-3, Î _L3-3 werden mit Hilfe der angegebe­ nen Symmetrierungsgleichungen die komplexen Mitsystem- Stromamplituden Î _N-(1)-1 ^M und Î _N-(1)-3 ^M der Grundschwingung bzw. der 3. Harmonischen berechnet.

In der Fig. 9 mit der zugehörigen Fig. 10 ist ein besonders vorteilhaftes Verfahren in Form eines Ablaufdiagramms darge­ stellt, wobei eine Führungsgröße Î _N-(1)-3-SOLL ^S zur teilweisen gleichzeitige Kompensation der 2. und 3. Harmonischen ermit­ telt wird. Ziel des Verfahrens ist es, die 2. Harmonische nur so weit zu reduzieren, daß der zulässige Pegel eingehalten wird. Gleichzeitig soll die 3. Harmonische auf der Drehstrom­ seite so gut wie möglich kompensiert werden. Gemäß dem Zei­ gerdiagramm der Fig. 11 ist Î _N-(1)-3 ^GES die auf der Netzseite er­ scheinende Gesamtkomponente der 3. Harmonischen (Mitsystem), wenn nicht kompensiert wird. Diese Gesamtkomponente Î _N-(1)-3 ^GES enthält die durch eine Spannungsunsymmetrie bedingten Kompo­ nenten Î _W-(1)-3 ^U und Î _I-(1)-3 ^U sowie die durch andere Einflüsse (fremde Quellen) bedingte Komponente Î _N-(1)-3 ^F. Die Zeiger Î _W-(1)-3 ^F und Î _N-(1)-3 ^F sind im Idealfall (keine Abbildungs- und Rechenungenauigkeiten) gleich, da die durch fremde Quellen verursachten Oberschwingungen wegen der Annahme Î _d»I _d-2 ^F kein bzw. kaum Einfluß auf die Generierung von Zusatzstromimpulsen haben und somit Î _I-(1)-3 ^F=0 ist. I _d-2 ^F ist der zu Î _W-(1)-3 ^F äquiva­ lente Anteil der 2. Harmonischen auf der Gleichstromseite. Bei Kompensation erscheinen im Zeigerdiagramm zusätzlich die durch den hochgestellten Index "S" gekennzeichneten Zeiger. Davon sind nur die durch den tiefgestellten Index "W" gekenn­ zeichneten Elemente auf der Gleichstromseite in äquivalenter Form (Komponente der 2. Harmonischen) zu finden.

Î _W-(1)-3 ^GES ist die auf der Gleichstromseite erscheinende Kompo­ nente, wenn eine vollständige Kompensation der 3. Harmoni­ schen auf der Netzseite angestrebt wird (Fig. 12). Diese voll­ ständige Kompensation ist in Fig. 6 dokumentiert, wobei auf der Gleichstromseite der zu Î _W-(1)-3 ^M äquivalente Zeiger Î _d-2 ^M verbleibt und gemessen werden kann. Nun wird folgendes ge­ prüft:
Ist |Î _W-(1)-3 ^GES| kleiner als ein vorgegebener maximal zulässiger Wert |Î _W-(1)-3 ^ZUL|, so ist auch die 2. Harmonische auf der Gleichstromseite kleiner als der zu |Î _W-(1)-3 ^ZUL| äquivalente Wert der 2. Harmonischen. Die 3. Harmonische auf der Netzseite kann dann so weit wie möglich kompensiert werden. Eine voll­ ständige Kompensation wird nur noch durch Rechenungenauigkei­ ten und Ungenauigkeiten, die aus den verwendeten Näherungen resultieren, verhindert. Die dadurch verbleibende Komponente läßt sich nicht separat meßtechnisch erfassen. Anderenfalls, das heißt, wenn bei vollständiger Kompensation der 3. Harmo­ nischen |Î _W-(1)-3 ^GES| größer als ein vorgegebener maximal zulässi­ ger Wert |Î _W-(1)-3 ^ZUL| sein würde (Fig. 12), muß, alternativ zur vollständigen Kompensation, teilkompensiert werden. Dabei wird Î _W-(1)-3 ^GES durch Veränderung der Länge und/oder Lage des Zeigers Î _W-(1)-3 ^S verkleinert. Mit der Änderung von I _W-(1)-3 ^S än­ dern sich auch Î _I-(1)-3 ^S und Î _N-(1)-3-SOLL ^S.

Î _W-(1)-3 ^GES wurde soweit verkleinert, daß die maximal zulässige Amplitude von Î _W-(1)-3 ^ZUL nicht überschritten wird (Fig. 13). Da Î _W-(1)-3 ^GES äquivalent zum Gesamtzeiger der 2. Harmonischen und Î _W-(1)-3 ^ZUL äquivalent zum zulässigen Pegel der 2. Harmonischen ist, wird deshalb der zulässige Pegel dieser Harmonischen auf der Gleichstromseite eingehalten. Die Restkomponente Î _N(1)-3 ^REST der 3. Harmonischen hat sich gegenüber vollständiger Kompen­ sation erhöht. Deren Amplitude ist jedoch trotz der hier an­ gewendeten Teilkompensation wesentlich kleiner als ohne Kom­ pensation (Fig. 11).

Somit kann man durch Hinzufügung der erfindungsgemäßen zu­ sätzlichen Ansteuervorschrift 24 zur bekannten Software 22 der Steuereinrichtung 6 eines 12-pulsigen Stromrichters 2 ei­ ner bekannten Stromrichteranordnung, beispielsweise einer HGÜ-Anlage, erreichen, daß nichtcharakteristische Harmonische des Stromes und der Spannung auf der Gleich- und Drehstrom­ seite kompensiert werden. Analog zur hier beschriebenen Vor­ gehensweise zur Kompensation der 3. Harmonischen kann das Ge­ gensystem der Grundharmonischen bei Bedarf kompensiert bzw. teilkompensiert werden. Diese Kompensation tritt ein, wenn äquidistante Zündwinkel α_m mittels berechneter Zündwinkelver­ schiebungen Δα_m aparweise in nicht-äquidistante Zündwinkel umgewandelt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung eines 12-pulsigen Stromrichters (2), dessen beide Teilstromrichter (8, 10) wechselstromseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung (12, 14) eines Transforma­ tors (4) verknüpft sind, dessen Primärwicklung (16) mit einem Drehstromnetz (18) verbunden ist, mit folgenden Verfahrens­ schritten:

• a) Ermittlung jeweils einer komplexen Spannungsamplitude (Û _(1)-1, Û _(2)-1) einer Mit- und Gegensystemgrundschwingung aus gemessenen Netzphasenspannungen (u_L1(t), u_L2(t) u_L3(t))
• b) Ermittlung eines komplexen Unsymmetriefaktors (k _U) als Quotient der ermittelten komplexen Spannungsamplituden (Û _(2)-1, Û _(1)-1) der Gegen- und Mitsystemgrundschwingung,
• c) Ermittlung einer komplexen Stromamplitude (Î _d-2 ^U einer gleichstromseitigen Harmonischen 2. Ordnung in Abhängig­ keit der komplexen Spannungsamplitude (Û _(1)-1) der Mitsy­ stemgrundschwingung, des komplexen Unsymmetriefaktors (k _U), eines ermittelten Kommutierungswinkels (µ) und von Anlagenparametern (α, ü, R_d, Ld_, X_N-Ges, X_T-Ges),
• d) Ermittlung eines komplexen Führungssteuerungsfaktors (k _S-SOLL) in Abhängigkeit dieser ermittelten komplexen Stromamplitude (Î _d-2 ^u),
• e) Ermittlung von paarweisen Zündwinkelverschiebungen (Δα_m) in Abhängigkeit dieses komplexen Steuerungsfaktors (k _s) und
• f) Ermittlung von Zündwinkel-Signalen aus vorbestimmten äquidistanten Zündwinkel-Signalen (α_m) und den paarweisen Zündwinkelverschiebungen (Δα_m).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus einem erfaßten Gleichstrom (i_d(t)) eine komplexe Stromamplitude (Î _d-2 ^M) er­ mittelt wird, aus der durch Negation eine Korrekturgröße (ΔÎ _d-2-KORR ^S) bestimmt wird, aus der in Abhängigkeit von Parame­ tern ein komplexer Korrektursteuerungsfaktor (Δks) bestimmt wird, der dem komplexen Führungssteuerungsfaktor (k _S-SOLL) überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, mit weiteren folgenden Verfah­ rensschritten:

• a) Ermittlung einer komplexen Stromamplitude (Î _d-2 ^U) der gleichstromseitigen Harmonischen 2. Ordnung und der damit verbundenen komplexen Stromamplitude (Î _W-(1)-3 ^U) einer netz­ seitigen Harmonischen 3. Ordnung des Mitsystems in Abhän­ gigkeit von Unsymmetriefaktor (k _U) und eines ermittelten Kommutierungswinkels (µ),
• b) Ermittlung einer durch unterschiedliche Kommutierungswin­ kel als Folge der Spannungsunsymmetrie bedingten komple­ xen Stromamplitude (Î _I(1)-3 ^U) einer netzseitigen Harmoni­ schen 3. Ordnung des Mitsystems in Abhängigkeit einer er­ mittelten Gleichstromamplitude (I_d), des komplexen Unsym­ metriefaktors (k _U, eines ermittelten Kommutierungswin­ kels (µ) und von Anlagenparametern (α, ü, X_N-Ges, X_T-Ges),
• c) Ermittlung einer komplexen Stromamplitude (Î _N-(1)-3 ^U) einer netzseitigen Harmonischen 3. Ordnung des Mitsystems durch Addition der beiden zuvor ermittelten komplexen Stromam­ plituden (Î _W-(1)-3 ^U, Î _I-(1)-3 ^U) und
• d) Ermittlung einer komplexen Stromkorrekturamplitude (ΔÎ _N-(1)-3-KORR ^S) einer netzseitigen Harmonischen 3. Ordnung in Abhängigkeit der durch die Spannungsunsymmetrie be­ dingten komplexen Stromamplitude (Î _W-(1)-3 ^U) einer netzsei­ tigen Harmonischen 3. Ordnung, des Führungssteuerungsfak­ tors (k _S-SOLL), der Gleichstromamplitude (I_d), des Kommu­ tierungswinkels (µ) des aktuellen gemessenen Wertes der 2. Harmonischen des Gleichstromes (Î _d-2 ^M) und von Anlagen­ parametern (α, ü, R_d, L_d, X_N-Ges, X_T-Ges).

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3 mit weiteren folgenden Verfahrensschritten:

• a) Ermittlung jeweils einer komplexen Stromamplitude (Î _N-(1)-1 ^M, Î _N(1)-3 ^M) einer netzseitigen Grundharmonischen und einer netzseitigen Harmonischen 3. Ordnung des Mitsystems aus gemessenen Netzphasenströmen (i_L1(t), i_L2(t), i_L3(t)),
• b) Ermittlung einer Gleichstromamplitude (I_d) in Abhängig­ keit der ermittelten komplexen Stromamplitude (Î _N-(1)-1 ^M) einer Grundharmonischen des Mitsystems und
• c) Ermittlung einer komplexen Stromkorrekturamplitude ΔÎ _N-(1)-3-KORR ^S) einer netzseitigen Harmonischen 3. Ordnung in Abhängigkeit der ermittelten komplexen Stromamplitude (Î_N-(1)-3 ^M) einer netzseitigen Harmonischen 3. Ordnung.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei aus den ohne Be­ rücksichtigung der Zündwinkelverschiebung vorhandenen komple­ xen Stromamplituden (Î _W-(1)-3 ^U, Î _I-(1)-3 ^U, Î _N-(1)-3 ^M) einer netzseiti­ gen Harmonischen 3. Ordnung des Mitsystems eine komplexe Ge­ samtstromamplitude (Î _N-(1)-3 ^GES) einer netzseitigen Harmonischen 3. Ordnung des Mitsystems gebildet wird, aus der dann ein komplexer Führungssteuerungsfaktor (k _S-SOLL) ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei zur Ermittlung jeweils einer komplexen Spannungsamplitude (Û _(1)-1, Û _(2)-1) aus den gemessenen Netzphasenspannungen (u_L1(t), u_L2(t), u_L3(t)) jeweils eine Grundschwingung (u_L1-1(t), u_L2-1(t), u_L3-1(t)) herausgefiltert wird, von denen jeweils eine komple­ xe Amplitude (Û _L1-1, Û _L2-1, Û _L3-1) bestimmt wird, die anschlie­ ßend mittels einer Symmetrierung für das Mit- und Gegensystem miteinander verknüpft werden.

7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der komplexe Führungssteuerungsfaktor (k_S-SOLL) in Abhängigkeit einer Führungsgröße (Î _d-SOLL ^S, Î _N-(1)-3-SOLL ^S) und von Parametern ermittelt wird, wobei diese Führungsgröße (Î _d-2-SOLL ^S, Î _N-(1)-3-SOLL ^S) gleich einer negativen komplexen Stromamplitude (Î _d-2 ^U, Î _N-(1)-3 ^U) einer gleichstromseitigen Harmonischen 2. Ordnung oder einer netzseitigen Harmonischen 3. Ordnung des Mitsystems ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zur Ermittlung einer komplexen Stromamplitude (Î _N-(1)-1 ^M) einer netzseitigen Grund­ harmonischen des Mitsystems aus gemessenen Netzphasenströmen (i_L1(t), i_L2(t), i_L3(t)) jeweils eine Grundschwingung (i_L1-1(t), i_L2-1(t), i_L3-1(t)) herausgeffiltert wird, von denen jeweils ei­ ne komplexe Amplitude (Î _L1-1, Î _L2-1, Î _L3-1) bestimmt wird, die anschließend mittels einer Symmetrierung miteinander ver­ knüpft werden.

9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zur Ermittlung einer komplexen Stromamplitude (Î _N-(1)-3 ^M) einer netzseitigen Harmoni­ schen 3. Ordnung des Mitsystems aus gemessenen Netzphasen­ strömen (i_L1(t), i_L2(t), i_L3(t)) jeweils eine Harmonische 3. Ordnung herausgefiltert wird, von denen jeweils eine kom­ plexe Amplitude (Î _L1-3, Î _L2-3, Î _L3-3) bestimmt wird, die an­ schließend mittels einer Symmetrierung miteinander verknüpft werden.