SE503398C2

SE503398C2 - Converter system with controller for series-connected current stiffener and voltage-stiff inverter

Info

Publication number: SE503398C2
Application number: SE9400540A
Authority: SE
Inventors: Aake Ekstroem
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1996-06-03
Also published as: SE9400540L; WO1995022848A1; AU1826595A; EP0745283A1; SE9400540D0

Abstract

A converter assembly for power transmission by means of high-voltage direct current has a first current-source, line-commutated converter (SRA) and a second voltage-source, self-commutated converter (SRB). The converters are d.c. series-connected to each other and are connected to an alternating-voltage network (ACN). The second converter (SRB) has control members for controlling the direct voltage (Udb) of the converter by influencing the phase position ( delta ) of the internal alternating voltage (Uvb) of the converter and hence the flow of active power between the converter and the alternating-voltage network. The control members comprise a regulator (S3, Ud-reg) for controlling the direct voltage (Udb) of the converter in dependence on the difference between on the one hand a reference value (Udbref) of the direct voltage of the converter, supplied to the control member, and on the other hand a sensed value (Udbm) of this direct voltage.

Description

15 20 25 30 35 sus 398 2 vid HVDC-överföringar vanligt sätt bestäms därvid anlägg- ningens likström av de övriga i likströmsnätet ingäende strömriktarstationerna, medan likspänningen bestäms av den i Ström- riktaranläggningens likspänning blir summan av de bäda växelriktardrift arbetande strömriktaranläggningen. strömriktarnas likspänningar. Den första, strömstyvä och nätkommuterade, strömriktaren styrs pä konventionellt sätt och arbetar i växelriktardrift vid minsta släckvinkel. Den andra strömriktaren är försedd med styrorgan för styrning av strömriktarens likspänning genom päverkan av fasläget hos strömriktarens inre växelspänning (i relation till växel- och därmed av flödet av aktiv Ett spänningsnätets spänning), effekt mellan strömriktaren och växelspänningsnätet. reglersystem är anordnat för reglering av strömriktaranlägg- ningens totala likspänning genom att jämföra det avkända värdet av denna spänning med ett börvärde för spänningen och läta skillnaden päverka fasläget hos den andra strömrikta- rens inre växelspänning via en regulator. 15 20 25 30 35 sus 398 2 in the case of HVDC transmissions, the direct current of the system is determined by the other converter stations included in the direct current network, while the direct voltage is determined by the direct current system in the inverter system. the DC voltages of the converters. The first, current-rigid and mains-commutated, converter is controlled in a conventional manner and operates in inverter operation at the smallest extinguishing angle. The second converter is provided with control means for controlling the DC voltage by influencing the phase position of the internal AC voltage of the converter (in relation to the AC and thus the flow of active A voltage of the mains voltage), power between the converter and the AC network. control systems are arranged for regulating the total DC voltage of the converter system by comparing the sensed value of this voltage with a setpoint value for the voltage and letting the difference affect the phase position of the internal AC voltage of the other converter via a regulator.

En anläggning av detta slag erbjuder flera fördelar, säsom - möjlighet att med liten risk för kommuteringsfel arbeta mot svaga växelspänningsnät utan behov av synkron- maskiner eller extra shuntkondensatorer, - möjlighet till reduktion av den av strömriktaranlägg- ningen konsumerade reaktiva effekten och för generering av reaktiv effekt, - möjlighet för snabb styrning av flödet av reaktiv effekt t ex för spänningsreglering i växelspännings- nätet. - möjlighet att vid t ex jordfel pä likströmslinjen styra ner överföringens likspänning till noll och därmed begränsa överströmmar, och detta under upprätthällande av den spänningsstyva strömriktarens likspänning och därmed utan störningar i flödet av reaktiv effekt.A system of this kind offers several advantages, such as - the possibility of working with weak risk of commutation faults against weak AC networks without the need for synchronous machines or extra shunt capacitors, - the possibility of reducing the reactive power consumed by the converter system and for generating reactive power, - possibility for rapid control of the flow of reactive power, eg for voltage regulation in the AC network. possibility of, for example, in the event of a ground fault on the direct current line, controlling the direct current of the transmission to zero and thereby limiting overcurrents, and this while maintaining the direct voltage of the voltage-rigid converter and thus without disturbances in the flow of reactive power.

Det har dock visat sig att det kan uppstä svärigheter att fä goda regleregenskaper hos en anläggning av detta slag. Åter- verkan mellan de bäda strömriktarna och deras reglersystem har visat sig göra det svärt att erhälla en snabb spännings- 10 15 20 25 30 35 3 503 398 reglering i växelspänningsnätet. Vidare avviker anläggning- ens spänning-ström-karakteristik frän karakteristiken hos en konventionell strömriktarstation, vilket försvarar anlägg- ningens samverkan med andra strömstyva strömriktare.However, it has been shown that it can be difficult to obtain good control properties in a plant of this type. The feedback between the two converters and their control system has been found to make it difficult to obtain a fast voltage control in the AC mains. Furthermore, the system's voltage-current characteristic differs from the characteristic of a conventional converter station, which defends the system's interaction with other current-rigid converters.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att àstadkomma en stromriktaranläggning av inledningsvis angivet slag, vilken uppvisar förbättrade styr- och regleregenskaper, och vars ström-spänningskarakte- ristik möjliggör en problemfri samverkan med andra ström- styva strömriktare.DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention intends to provide a converter system of the kind initially stated, which exhibits improved control and regulation properties, and whose current-voltage characteristics enable a trouble-free interaction with other current-rigid converters.

Vad som kännetecknar en strömriktaranläggning enligt uppfin- ningen framgär av bifogade patentkrav. Enligt uppfinningen styrs den spänningsstyva strömriktarens likspänning obero- ende av den strömstyva strömriktaren. Den strömstyva ström- riktaren kommer därmed att arbeta pä konventionellt sätt och bestämma anläggningens ström-spänningskarakteristik. Karak- teristiken blir därvid av samma slag som hos konventionella strömstyva strömriktare, vilket möjliggör en problemfri sam- verkan med sädana strömriktare. Vidare erhälles vid en anläggning enligt uppfinningen väsentligt förbättrade reg- leregenskaper jämfört med tidigare kända anläggningar av aktuellt slag.What characterizes a converter system according to the invention is stated in the appended claims. According to the invention, the DC voltage of the voltage-rigid converter is controlled independently of the current-rigid converter. The current-rigid converter will thus operate in a conventional manner and determine the current-voltage characteristics of the system. The characteristics are then of the same kind as with conventional current-rigid converters, which enables a trouble-free interaction with such converters. Furthermore, in a plant according to the invention, significantly improved control properties are obtained compared with previously known plants of the type in question.

Enligt en utföringsform av uppfinningen anordnas en feed- forward-styrning av den spänningsstyva strömriktarens likspänning genom att fasläget hos denna strömriktares inre växelspänning inställes i enlighet med ett ur avkända driftstorheter beräknat preliminärvärde. Den slutna regler- kretsen behöver dä endast utreglera eventuella mindre avvi- kelser mellan det beräknade preliminärvärdet och det värde som behövs för att fä den önskade likspänningen. Härigenom kan en mycket snabb reglering erhällas.According to an embodiment of the invention, a feed-forward control of the DC voltage of the voltage converter is arranged by setting the phase position of the internal alternating voltage of this converter in accordance with a preliminary value calculated from known operating quantities. The closed control circuit then only needs to regulate any minor deviations between the calculated preliminary value and the value needed to obtain the desired direct voltage. In this way a very fast regulation can be obtained.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen görs börvärdet för den spänningsstyva strömriktarens likspänning strömbero- ende pä sàdant sätt att spännings-strömkarakteristiken för 503 398 4 10 15 20 25 30 35 denna strömriktare fär en positiv lutning. Genom lämpligt val av detta strömberoende kan den totala spännings-strömka- rakteristiken för anläggningen göras flat eller med nagot positiv lutning, varigenom den orsak till instabilitet, som den negativa lutningen hos en strömstyv strömriktares karak- teristik utgör, kan elimineras.According to another embodiment of the invention, the setpoint value of the DC-rigid converter DC voltage is made current-dependent in such a way that the voltage-current characteristic of this converter has a positive slope. By appropriate selection of this current dependence, the overall voltage-current characteristic of the system can be made flat or with a somewhat positive slope, whereby the cause of instability, which is the negative slope of a characteristic of a rigid converter, can be eliminated.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utföres den spänningsstyva strömriktaren sä att kvoten mellan dess inre växelspänning och dess likspänning är styrbar, vilket möjliggör snabb styrning av det reaktiva effektflödet och därmed en effektiv reglering av en driftstorhet, företrädes- vis spänningen i växelspànningsnätet. Lämpligen anslutes därvid denna strömriktare till växelspänningsnätet via en lindningskopplarförsedd transformator, varvid styrningen av den nyssnämnda kvoten pä ett fördelaktigt sätt kan anordnas att samverka med styrningen av lindningskopplaren och even- tuellt även med styrningen av strömriktarens likspännings- börvärde.According to a preferred embodiment of the invention, the voltage-rigid converter is designed so that the ratio between its internal AC voltage and its DC voltage is controllable, which enables rapid control of the reactive power flow and thus an effective control of an operating quantity, preferably the voltage in the AC network. Suitably, this converter is connected to the alternating voltage network via a transformer equipped with a winding switch, whereby the control of the aforementioned ratio can be arranged in an advantageous manner to cooperate with the control of the winding coupler and possibly also with the control of the direct current setpoint of the converter.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-4. Figur 1 visar en strömriktaranläggning enligt uppfinningen. Figur 2 visar utformingen av styrsystemet for den spänningsstyva strömrik- taren i anläggningen enligt figur 1. Figur 3 visar anlägg- ningens totala spännings-strömkarakteristik samt karak- teristikerna för anläggningens bada strömriktare. Figur 4a och figur 4b visar hur enligt en utföringsform av uppfin- ningen den spänningsstyva strömriktaren kan styras sä att risken för kommuteringsfel reduceras ytterligare och/eller att drift med lägre släckvinklar möjliggörs.DESCRIPTION OF THE FIGURES The invention will be described in more detail in the following in connection with the accompanying figures 1-4. Figure 1 shows a converter system according to the invention. Figure 2 shows the design of the control system for the voltage-rigid inverter in the system according to Figure 1. Figure 3 shows the system's total voltage-current characteristics and the characteristics of the plant's both converters. Figure 4a and figure 4b show how according to an embodiment of the invention the voltage-rigid converter can be controlled so that the risk of commutation errors is further reduced and / or that operation with lower extinguishing angles is made possible.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1 visar en strömriktaranläggning enligt uppfinningen.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Figure 1 shows a converter system according to the invention.

Anläggningen utgör en pol i en station vid en utrustning för kraftöverföring med hjälp av högspänd likström (HVDC). 10 15 20 25 30 35 5 503 398 Anläggningen är i första hand avsedd att arbeta i växelrik- tardrift. Den kan alternativt temporärt eller permanent arbeta i likriktardrift, strömriktaren polvänds, vilket dock kräver att endera eftersom strömmens polaritet är given i SRA och spänningens polaritet är given i SRB.The system forms a pole in a station at a power transmission equipment using high-voltage direct current (HVDC). 10 15 20 25 30 35 5 503 398 The plant is primarily intended to operate in inverter operation. It can alternatively temporarily or permanently operate in rectifier operation, the inverter is reversed, which however requires that either because the polarity of the current is given in SRA and the polarity of the voltage is given in SRB.

Anläggningen innefattar tvä strömriktare SRA och SRB, vilka i serie med varandra och med en glättningsreaktor DCR är anslutna mellan en likströmslinje DCL och jord. Överföring- ens likström är betecknad med Id och stationens totala lik- spänning med Ud.The plant comprises two converters SRA and SRB, which are connected in series with each other and with a smoothing reactor DCR between a direct current line DCL and earth. The direct current of the transmission is denoted by Id and the total direct voltage of the station by Ud.

Strömriktaren SRA är en strömstyv nätkommuterad tyristor- strömriktare. strömriktare är utförda enligt de kända och allmänt till- lämpade principer för sädana strömriktare som finns angivna i Uhlmann och Ekström. Den arbetar vid växelriktardrift pä konventionellt sätt, dvs den arbetar vid minsta möjliga värde pà släckvinkeln 7 i beroende av aktuella värden pä Bäde huvudkretsar och styrkretsar för denna dvs den lämnar all- och strömriktaren och bl a likström och kommuteringsspänning, tid högsta möjliga likspänning Uáa, därmed den station i vilken den ingar blir bestämmande för överföringens likspänning. Strömriktaren har pä vanligt sätt en med lindningskopplare försedd strömriktartransformator TRA, via vilken strömriktaren är ansluten till ett trefasigt växelspänningsnät ACN. Behovet av och kraven pä stegning och regleromràde hos lindningskopplaren är dock lägre vid en anläggning enligt uppfinningen än vid en konventionell anläggning, eftersom - som nedan skall beskrivas - den med strömriktaren SRA seriekopplade spänningsstyva strömriktaren SRB har en ström-spänningskarakteristik med motsatt lutning mot karakteristiken hos strömriktaren SRA.The converter SRA is a current-rigid mains-commutated thyristor converter. converters are designed according to the known and generally applied principles for such converters as are specified in Uhlmann and Ekström. It operates during inverter operation in a conventional way, ie it operates at the lowest possible value at the switch-off angle 7 depending on current values at Both main circuits and control circuits for this ie it leaves the all-in-one converter and, among other things, direct current and commutation voltage, time maximum possible DC voltage Uáa, thus the station in which it enters determines the DC voltage of the transmission. The converter has, in the usual way, a converter equipped with a winding coupler TRA, via which the converter is connected to a three-phase AC network ACN. However, the need and requirements for stepping and control range of the winding coupler are lower in a plant according to the invention than in a conventional plant, since - as will be described below - the voltage rigid converter SRB connected in series with the converter SRA has a current-voltage characteristic opposite to the characteristic of the converter SRA.

Strömriktaren SRB är en spänningsstyv tvängskommuterad strömriktare av den typ som beskrivs i Ekström, avsnittet “Forced-commutated Voltage Convertor" pä s ll-17 - ll-32.The converter SRB is a voltage-rigid forced-commutated converter of the type described in Ekström, section "Forced-commutated Voltage Convertor" on s ll-17 - ll-32.

Den bestär i princip av en trefasbrygga med sex grenar, där varje gren har en styrbar (báde tänd- och släckbar) tyris- torventil i antiparallell med en diodventil. Parallellt med strömriktaren ligger ett kondensatorbatteri CB, vilket utgör 10 15 20 25 30 35 503 398 6 den för strömriktarens drift väsentliga lágimpediva (styva) likspänningskällan. Spänningen över kondensatorbatteriet, dvs strömriktarens likspänning, betecknas med Ugb. Strömrik- tarens inre växelspänning, dvs grundtonen hos den direkt av strömriktarbryggan alstrade växelspänningen, betecknas med Uvb. Strömriktaren är ansluten till nätet ACN via en ström- riktartransformator TRB som kan vara försedd med lindnings- kopplare. Växelspänningsnätets ACN spänning betecknas med UL.It basically consists of a three-phase bridge with six branches, where each branch has a controllable (both on and off) thyristor valve in antiparallel with a diode valve. Parallel to the converter is a capacitor battery CB, which constitutes the low-impedance (rigid) direct voltage source essential for the operation of the converter. The voltage across the capacitor battery, ie the DC voltage of the converter, is denoted by Ugb. The internal AC voltage of the inverter, ie the fundamental tone of the AC voltage generated directly by the inverter bridge, is denoted by Uvb. The inverter is connected to the ACN network via an inverter transformer TRB which may be equipped with a winding coupler. The ACN voltage of the AC mains is denoted by UL.

För styrning av strömriktaren SRB är en spänningstransfor- mator UMA anordnad att avkänna nätspänningen UL och att avge en mot spänningen proportionell signal ULm, ett strömmätdon (t ex en mättransduktor) IM anordnat att avge en mot lik- strömmen Id svarande signal Idm och en mätspänningsdelare- UMB anordnad att avkänna strömriktarens likspänning U¿b och att avge en däremot svarande signal Udbm.For controlling the converter SRB, a voltage transformer UMA is arranged to sense the mains voltage UL and to emit a signal ULm proportional to the voltage, a current measuring device (eg a measuring transducer) IM arranged to emit a signal Idm corresponding to the direct current Id and a measuring voltage part - UMB arranged to sense the DC voltage U¿b of the converter and to emit a corresponding signal Udbm.

Beträffande styrningen av strömriktarna förutsätts i den följande beskrivningen att strömriktaren SRA arbetar mot Y- min, vilket ger denna strömriktare en ström-spänningskarak- teristik Uda = UdiQCOSY - Rx . Id där Udío är den ideala tomgàngslikspänningen Yär släckvinkeln Rx är en mot transformatorns läckinduktans proportionell konstant dvs karakteristiken har på känt sätt en negativ lutning.Regarding the control of the inverters, it is assumed in the following description that the inverter SRA works against Ymin, which gives this inverter a current-voltage characteristic Uda = UdiQCOSY - Rx. Id where Udío is the ideal idle DC voltage Yär the extinction angle Rx is a constant constant relative to the leakage inductance of the transformer, ie the characteristic has a negative slope in a known manner.

Figur 2 visar styrkretsarna för strömriktaren SRB. Strömrik- taren har ett styrpulsdon SPD som lämnar styrpulser SPi till strömriktarens styrbara ventiler för tändning och släckning av dessa. Styrdonets funktion styrs av de styrdonet till- förda styrsignalerna Ö och ku. Styrsignalen Ö styr fasläget hos strömriktarens spänning Uvb i relation till fasläget hos växelspänningsnätets ACN spänning UL sà att fasskillnaden mellan dessa båda spänningar antar värdet 5. Mätsignalen ULm tillförs styrpulsdonet som faslägesreferens. Styrsignalen 10 15 20 25 30 35 7 sus 398 ku styr kvoten mellan spänningarna Uvb (strömriktarens inre växelspänning) och U¿b (strömriktarens likspänning) sä att kvoten antar värdet ku, dvs Uvb = ku Uab Denna styrning kan göras pä nagot av de sätt som beskrivs i det ovan anförda avsnittet ur Ekström, t ex genom pulsbredd- modulering eller genom att strömriktaren utförs och styrs som en s k NPC-strömriktare (treniváströmriktare).Figure 2 shows the control circuits of the converter SRB. The inverter has a control pulse device SPD which leaves control pulses SPi to the controllable valves of the inverter for switching them on and off. The function of the control unit is controlled by the control signals Ö and ku supplied to the control unit. The control signal Ö controls the phase position of the converter voltage Uvb in relation to the phase position of the ACN voltage UL of the AC network so that the phase difference between these two voltages assumes the value 5. The measuring signal ULm is applied to the control pulse device as a phase position reference. The control signal 10 15 20 25 30 35 7 sus 398 ku controls the ratio between the voltages Uvb (internal AC voltage of the converter) and U¿b (DC direct voltage) so that the ratio assumes the value ku, ie Uvb = ku Uab This control can be done in any of the ways as described in the above section from Ekström, for example by pulse width modulation or by the converter being designed and controlled as a so-called NPC converter (three-level converter).

Likströmmen Id är i det antagna driftfallet bestämd utifrän.In the assumed operating case, the direct current Id is determined from the outside.

Strömriktarens SRB likspänning Udb är i stationärt tillstànd konstant, och hela likströmmen I¿ flyter genom strömrikta- ren. Den aktiva effekt som tillförs strömriktaren frán likströmsnätet är Pb = Uab - Id Den aktiva effekt som flyter frän strömriktaren till växel- spänningsnätet är (om strömriktarförlusterna försummas) lika stor och ges av ekvationen (Uvb . UL sin 8)/ xb där Xb är impedansen mellan strömriktarbryggan och Pb: nätet, dvs Xb är praktiskt taget lika med strömriktar- transformatorns reaktans.The SRB DC voltage Udb of the converter is constant in the steady state, and the entire direct current I¿ flows through the converter. The active power supplied to the inverter from the DC mains is Pb = Uab - Id The active power flowing from the inverter to the AC mains is (if the inverter losses are neglected) equal and given by the equation (Uvb. UL sin 8) / xb where Xb is the impedance between the converter bridge and the Pb: mains, ie Xb is practically equal to the reactance of the converter transformer.

I stationärt tillstànd gäller alltsa Udb . Id = (Uvb . UL Sin 5) / Xb dvs Sin Ö = (Udb . I¿ Xb) / (Uvb . UL) Fasskillnaden 8 kan alltsa i stationärt tillstànd beräknas ur de fyra driftstorheterna till höger om likhetstecknet i sistnämnda ekvation. Denna beräkning utförs av kretsen PAC i figur 2. Kretsen avger ett preliminärvärde 5' pä fasskillna- den till en summator S4. Beräkningen kan göras mer eller mindre exakt. I det beskrivna exemplet görs en förenklad beräkning med utnyttjande av antagandet att UL = Üvb, vilket approximativt gäller, och med utnyttjande av att Uvb = ku Uab Kretsen avger alltsä utsignalen 5' = arcsin ((Id Xb)/(Kuz Udb)) 10 15 20 25 30 35 503 398 8 Denna signal utgör ett approximativt korrekt värde pà fasskillnaden 5.In the stationary state, therefore, Udb. Id = (Uvb. UL Sin 5) / Xb ie Sin Ö = (Udb. I¿ Xb) / (Uvb. UL) The phase difference 8 can thus in steady state be calculated from the four operating quantities to the right of the equals sign in the latter equation. This calculation is performed by the circuit PAC in Figure 2. The circuit gives a preliminary value 5 'of the phase difference to a summator S4. The calculation can be made more or less accurate. In the example described, a simplified calculation is made using the assumption that UL = Üvb, which approximately applies, and using that Uvb = ku Uab The circuit thus emits the output signal 5 '= arcsin ((Id Xb) / (Kuz Udb)) 10 15 20 25 30 35 503 398 8 This signal constitutes an approximately correct value of the phase difference 5.

I en spänningsstyrkrets UC bildas pä nedan beskrivet sätt ett grundreferensvarde Udbrefo för strömriktarens likspän- ning. Till denna referens adderas i en summator S2 en ström- beroende storhet Rb.Id där Rb är en konstant. Rb vàljes sa att den positiva lutningen hos strömriktaren SRBs karakte- ristik kompenserar den negativa lutningen hos strömriktarens SRAs karakteristik i sa hög grad att anläggningens totala karakteristik blir flat eller far positiv lutning. Utsigna- len frän summatorn S2 blir Uabref = Udbrefo + Rb - Ia Den jämförs i en summator S3 med mätsignalen Uubm och avvi- kelsen tillförs en likspänningsregulator Ud-reg med PI- karakteristik. Regulatorns utsignal A5 adderas i summatorn S4 till preliminärvärdet 5', och styrpulsdonet SPD styr alltsa strömriktaren sä att strömriktarspänningens fasläge i förhållande till nätet blir 5 = Ö' + A5 Beräkningskretsen PAC ger alltsa även vid snabba ändringar i driftförhällandena momentant ett approximativt korrekt fas- läge hos strömriktarspänningen. Detta medför synnerligen goda regleregenskaper, och t ex en stegvis ändring av lik- strömmen kan göras med ett minimum av insvängningsförlopp hos likspänningen hos strömriktaren SRB. Regulatorn Ud-reg behöver endast utreglera de mindre avvikelser som kan kvar- sta som resultat av beräkningsonoggrannheter, mätfel, tran- sienter etc.In a voltage control circuit UC, a basic reference value Udbrefo for the converter DC voltage is formed in the manner described below. To this reference is added in a summator S2 a current-dependent quantity Rb.Id where Rb is a constant. Rb is selected so that the positive slope of the converter SRB's characteristics compensates for the negative slope of the converter SRA's characteristics to such an extent that the overall characteristics of the system become flat or have a positive slope. The output signal from the summator S2 becomes Uabref = Udbrefo + Rb - Ia It is compared in a summator S3 with the measuring signal Uubm and the deviation is applied to a direct voltage regulator Ud-reg with PI characteristics. The control output A5 of the controller is added in the summator S4 to the preliminary value 5 ', and the control pulse device SPD thus controls the converter so that the phase position of the converter voltage in relation to the mains becomes 5 = Ö' + A5 The calculation circuit PAC provides even with rapid changes in operating conditions. at the converter voltage. This entails extremely good control properties, and for example a stepwise change of the direct current can be made with a minimum of oscillation process of the direct voltage of the converter SRB. The Ud-reg controller only needs to regulate the minor deviations that may remain as a result of calculation inaccuracies, measurement errors, transients, etc.

Storheten ku för styrning av amplituden hos strömriktarens SRB växelspänning erhälles frán spänningsstyrkretsen UC, vilken i sin tur mottar utsignalen ku" frän en växelspän- ningsregulator UL - reg. Regulatorn, som har PI-karakteris- tik, tillförs den i summatorn S1 bildade regleravvikelsen mellan nätspänningen UL och ett referensvarde Uuref för denna spänning. Regulatorns utsignal ku" utgör ett utgangsvárde för modulationsfaktorn ku. Spänningsstyrkretsen UC sätter ku = ku" 10 15 20 25 30 35 9 503 398 om ku" ligger inom ett föredraget driftomräde, vilket är bestämt av tvä förutbestämda gränsvärden kumin och kumax. Om ku I' 2 kumax sänder spänningsstyrkretsen en styrorder NLb till trans- formatorns TRB lindningskopplare för ökning av transfor- matorns omsättning NLb/Nvb. Pä motsvarande sätt sänds en styrorder för minskning av transformatoromsättningen om ku" S kumin- Spänningsstyrkretsen UC genererar ocksä grundreferensvärdet Udbrefo för likspänningen Udb. Detta är i första hand ett konstant värde, vilket är sä valt att Udb normalt är lägre än, t ex 40% av, strömriktarens SRA maximala likspänning i växelriktardrift. Härigenom möjliggörs en snabb nedstyrning av den totala likspänningen U¿ till noll vid t ex jordfel pä likströmslinjen under bibehållande av strömriktarens SRB likspänning och därmed av det önskade reaktiveffektflödet.The quantity ku for controlling the amplitude of the converter SRB AC voltage is obtained from the voltage control circuit UC, which in turn receives the output signal ku "from an AC voltage regulator UL - reg. The regulator, which has a PI characteristic, is supplied with the control deviation formed in the summator S1. the mains voltage UL and a reference value Uuref for this voltage. The output signal ku "of the controller is an output value for the modulation factor ku. The voltage control circuit UC sets ku = ku "10 15 20 25 30 35 9 503 398 if ku" is within a preferred operating range, which is determined by two predetermined limit values cumin and kumax. If ku I '2 kumax, the voltage control circuit sends a control order NLb to the transformer TRB winding coupler to increase the transformer turnover NLb / Nvb. Correspondingly, a control order is sent to reduce the transformer turnover if the cou- S voltage control circuit UC also generates the basic reference value Udbrefo for the direct voltage Udb. This is primarily a constant value, which is so chosen that Udb is normally lower than, for example, 40% of, the converter's SRA maximum DC voltage in inverter operation, thereby enabling a rapid reduction of the total DC voltage U¿ to zero in the event of, for example, an earth fault on the DC line while maintaining the converter's SRB DC voltage and thus the desired reactive power flow.

För att göra det möjligt att hälla modulationsfaktorn ku inom det föredragna driftomràdet även vid större ändringar i driftförhällandena är kretsen UC anordnad att justera refe- rensen Uabrefg om lindningskopplaren när ett av sina gräns- lägen. Om lindningskopplaren har stegat upp till sitt övre gränsläge ökas Uæugfg, och om den har stegat ned till sitt undre gränsläge minskas Udbrefg. Denna ändring av U¿bref0 kan antingen göras som en längsam reglering eller också göras stegvis.To make it possible to keep the modulation factor ku within the preferred operating range even in the event of major changes in the operating conditions, the circuit UC is arranged to adjust the reference Uabrefg if the winding coupler reaches one of its limit positions. If the winding coupler has risen up to its upper limit position, Uæugfg is increased, and if it has risen down to its lower limit position, Udbrefg is decreased. This change of U¿bref0 can either be made as a slow adjustment or also made step by step.

Figur 3 visar anläggningens totala ström-spänningskarakte- Aristik ABCD vid stationär växelriktardrift. Strömriktaren SRB har karakteristiken EFG, vilken pä ovan beskrivet sätt har givits en sádan positiv lutning att delen CD hos den totala karakteristiken är flat eller har en liten positiv eller negativ lutning. Den sammanlagrade karakteristiken för överföringens övriga stationer utgörs av kurvan HKFL.Figure 3 shows the system's total current-voltage characteristic Aristik ABCD during stationary inverter operation. The converter SRB has the characteristic EFG, which in the manner described above has been given such a positive slope that the part CD of the total characteristic is flat or has a small positive or negative slope. The combined characteristics of the other stations of the transmission are the curve HKFL.

Arbetspunkten för strömriktaren SRB blir alltsa under nor- mala förhällanden punkten F i figuren, och arbetspunkten för stationen som helhet blir punkten M. 10 15 20 25 30 35 503 398 W Normalt är bäde spänningsskillnaden Uvb - UL och fasskill- naden Ö smä.The operating point of the converter SRB thus becomes the point F in the figure under normal conditions, and the operating point of the station as a whole becomes the point M. 10 15 20 25 30 35 503 398 W Normally both the voltage difference Uvb - UL and the phase difference Ö are small.

Flödet av reaktiv effekt frän strömriktaren SRB till nätet är dà (vid transformatoromsättningen 1:1) approximativt proportionellt mot spänningsskillnaden. Normalt arbetar strömriktaren sä att Uvb > UL, vilket innebär att strömrik- taren genererar reaktiv effekt, vilken helt eller delvis kompenserar (eller eventuellt överkompenserar) den av ström- riktaren SRA konsumerade reaktiva effekten. Flödet av reak- tiv effekt styrs genom päverkan av strömriktarens modula- tionsfaktor ku , vilken direkt pàverkar strömriktarens inre likspänning Uvb. I det i figur 2 visade exemplet styrs reak- tiveffektflödet sä att spänningen UL i nätet ACN hälls kon- SCâIIC .The flow of reactive power from the converter SRB to the mains is then (at the transformer conversion 1: 1) approximately proportional to the voltage difference. Normally, the inverter works so that Uvb> UL, which means that the inverter generates reactive power, which fully or partially compensates (or possibly overcompensates) the reactive power consumed by the inverter SRA. The flow of reactive power is controlled by the influence of the converter's modulation factor ku, which directly affects the inverter's internal DC voltage Uvb. In the example shown in Figure 2, the reactive power flow is controlled so that the voltage UL in the ACN network is poured conc.

Vid en strömriktaranläggning enligt uppfinningen ligger alltsä den spänningsstyva självkommuterade strömriktaren SRB och ger en i princip fast motlikspänning. Detta medför väsentliga fördelar. Dels arbetar anläggningen, sett ur lik- strömslänkens synpunkt, som en konventionell strömriktarsta- tion försedd med enbart strömstyva nätkommuterade strömrik- tare, vilket medför en förenklad samverkan med konventio- nella strömriktare samt att nagon strömmatning baklänges frän den spänningsstyva strömriktaren vid jordfel pä lik- strömslinjen inte kan förekomma. Vidare erhälles genom styr- principen enligt uppfinningen en separation av regleringen av anläggningens bada strömriktare, vilket ger väsentligt förbättrade regleregenskaper, säsom snabbhet och stabilitet.In a converter system according to the invention, therefore, the voltage-rigid self-commutated converter SRB is located and provides a basically fixed counter-voltage. This brings significant benefits. On the one hand, the plant operates, seen from the point of view of the DC link, as a conventional converter station equipped with only rigid mains-commutated converters, which entails a simplified interaction with conventional converters and that no power supply is reversed from the voltage-rigid converter at ground level. the power line cannot occur. Furthermore, the control principle according to the invention provides a separation of the control of the plant's two inverters, which gives significantly improved control properties, such as speed and stability.

De goda regleregenskaperna kan ytterligare förbättras genom att enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen anläggningen förses med den ovan beskrivna feed-forward- styrningen av den spänningsstyva strömriktarens fasläge.The good control properties can be further improved in that according to a preferred embodiment of the invention the plant is provided with the feed-forward control of the voltage-rigid converter phase position described above.

För att minska risken för kommuteringsfel i den nätkommute- rade strömriktaren kan olika transienta ingrepp göras säväl i den nätkommuterade strömriktaren som i den självkommute- rade strömriktaren. Vid en uppmätt transient i nätspänningen kan t ex bade ygef i den nätkommuterade strömriktaren och ku 10 15 20 25 30 35 11 503 398 i den självkommuterade strömriktaren ges ett transient till- skott. Ett annat alternativ är att mer direkt avkänna san- nolikheten för kommuteringsfel och att vid behov ge ett max- imalt tillskott till kommuteringsspänningen pä nedan beskri- vet sätt.To reduce the risk of commutation errors in the mains-commutated converter, various transient interventions can be made both in the mains-commutated converter and in the self-commutated converter. In the case of a measured transient in the mains voltage, for example, both a transient addition can be given in both the mains commutator and the coefficient in the self-commutated converter. Another alternative is to more directly sense the probability of commutation errors and, if necessary, to provide a maximum addition to the commutation voltage in the manner described below.

Figur 4a och 4b visar principen för ett sàdant styrförfa- rande med vars hjälp alltsä risken för kommuteringsfel i den nätkommuterade strömriktaren SRA ytterligare kan minskas.Figures 4a and 4b show the principle of such a control procedure by means of which the risk of commutation errors in the mains commutated converter SRA can be further reduced.

Denna strömriktare förses med en avkänningskrets som löpande avkänner aktuell kommuteringsspänning uk(t), tidsderivatan duk(t)/dt av denna spänning samt strömmen ik(t) i den avkom- muterande ventilen. Figur 4a visar kommuteringsspänningens förlopp under kommuteringsintervallet. Kommuteringen antas påbörjad vid t = tl. Återstäende tid At till dess att kommu- teringen är avslutad vid t = t2 (strömmen sjunkit till noll) kan beräknas med kännedom om kommuteringsinduktansen Lk per fas och frän de avkända storheterna. Beräkningen görs löpande, och At erhälles genom att sätta kommuteringsspän- fram till tid- punkten för kommuteringens avslutning lika med produkten av ningens spänningstidyta (streckad i figuren) kommuteringsinduktans och ström. Detta ger sambandet 2 . At uk(t) - At2 duk(t)/dt = 4 . Lk iknz) Under antagande att kommuteringsspänningen avtar med kon- stant hastighet blir den äterstäende tiden till kommute- ringsspänningens nollgenomgäng uk(t)/(duk(C)/dt) och det predikterade respektavstándet ﬁnsd beräknas löpande ur sambandet Ybred/w = uk(t)/(duk(t)/dt) - At där w är nätets vinkelfrekvens.This converter is equipped with a sensing circuit that continuously senses the current commutation voltage uk (t), the time derivative cloth (t) / dt of this voltage and the current ik (t) in the commutating valve. Figure 4a shows the course of the commutation voltage during the commutation interval. The commutation is assumed to start at t = tl. Remaining time Att until the commutation is completed at t = t2 (current has dropped to zero) can be calculated with knowledge of the commutation inductance Lk per phase and from the sensed quantities. The calculation is made continuously, and At is obtained by setting the commutation voltage until the time of the end of the commutation equal to the product of the voltage time surface of the ring (dashed in the figure) of the commutation inductance and current. This gives the relationship 2. At uk (t) - At2 duk (t) / dt = 4. Lk iknz) Assuming that the commutation voltage decreases at a constant speed, the remaining time becomes the zero crossing of the commutation voltage uk (t) / (cloth (C) / dt) and the predicted respect distance ﬁ nsd is calculated continuously from the relation Ybred / w = uk ( t) / (cloth (t) / dt) - At where w is the angular frequency of the network.

Det sälunda erhållna värdet pä ybred jämförs löpande med ett förutbestämt minimivärde ¶“¿t. Om ﬁue¿ < ﬁujt tolkas detta som att risk för kommuteringsfel föreligger. I detta fall görs ett ingrepp i styrningen av den självkommuterade ström- riktaren SRB. Denna strömriktare visas schematiskt i figur 4b. De sex bryggrenarna, vilka var och en har en släckbar tyristorventil antiparallellkopplad med en diodventil, är i 10 15 20 25 30 12 503 398 figuren schematiskt visade som enkla elkopplare Sl - S6. De tre växelspänningsfaserna är betecknade med a, b och c.The value thus obtained on ybred is continuously compared with a predetermined minimum value ¶ “¿t. If ﬁ ue¿ <ﬁ ujt, this is interpreted as a risk of commutation errors. In this case, an intervention is made in the control of the self-commutated converter SRB. This converter is shown schematically in Figure 4b. The six bridge branches, each of which has an extinguishable thyristor valve antiparallel connected with a diode valve, are schematically shown in the figure as simple electrical couplers S1 - S6. The three alternating voltage phases are denoted by a, b and c.

Om jämförelsen ovan visar att risk för kommuteringsfel före- ligger görs ett sädant ingrepp att kondensatorspänningen Udb via strömriktarbryggan SRB ger ett maximalt tillskott till den nätspänning som utgör den aktuella kommuteringsspän- ningen, varigenom den äterstäende kommuteringstiden minskas sä längt möjligt och därmed risken för kommuteringsfel.If the comparison above shows that there is a risk of commutation errors, such an intervention is made that the capacitor voltage Udb via the converter bridge SRB provides a maximum addition to the mains voltage that constitutes the current commutation voltage, thereby reducing the remaining commutation time as much as possible and thus the risk of commutation.

Ingreppet görs endast kortvarigt. Hänsyn fär härvid tas till att de bäda strömriktarna kan vara anslutna till växelspän- ningsnätet via transformatorer med olika kopplingar. En kom- muteringsspänning i den nätkommuterade strömriktaren kan därför ligga i fas med (eller motfas till) antingen en fas- spänning eller en huvudspänning i den spänningsstyva ström- riktaren. Om sälunda t ex kommuteringsspänningen bestäms av spänningen mellan fas a och fas b görs ingreppet genom att S1 och S6 slutes och S4 och S3 öppnas. Om kommuteringsspän- ningen t ex ligger i fas med fas a görs ingreppet genom att Sl, S2 och S6 slutes och S4, S3 och S5 öppnas.The procedure is performed only for a short time. Account must be taken of the fact that the two inverters can be connected to the AC mains via transformers with different connections. A commutation voltage in the mains commutator can therefore be in phase with (or opposite phase to) either a phase voltage or a main voltage in the voltage-rigid converter. Thus, if, for example, the commutation voltage is determined by the voltage between phase a and phase b, the intervention is performed by closing S1 and S6 and opening S4 and S3. If the commutation voltage is, for example, in phase with phase a, the intervention is performed by closing S1, S2 and S6 and opening S4, S3 and S5.

Den i anslutning till figur 4 beskrivna metoden för att minska risken för kommuteringsfel vid en nätkommuterad strömriktare kan tillämpas även i andra fall där en nätkom- muterad strömriktare samverkar med en självkommuterad ström- riktare mot samma växelspänningsnät, exempelvis i det fall dä en som ren reaktiveffektströmriktare arbetande självkom- muterad strömriktare är ansluten till samma växelspännings- nät som en nätkommuterad strömriktare, t ex en HVDC-ström- riktare.The method described in connection with Figure 4 for reducing the risk of commutation errors in a mains-commutated converter can also be applied in other cases where a mains-commutated converter cooperates with a self-commutated converter against the same AC network, for example in the case of a pure reactive power converter. working self-commutated inverter is connected to the same AC mains as a mains-commutated inverter, eg an HVDC inverter.

Claims

10 15 20 25 30 35 ßš 503 398 PATENTKRAV

Converter system for power transmission by means of high-voltage direct current and comprising a first, rigid and mains-commutated converter (SRA) and a second, voltage-rigid and self-commutated converter (SRB), which converters are DC-connected in series with each other and have AC power sockets for connection ACN), with control means for controlling the DC voltage of this converter (Ö) of this current and wherein the second converter (SRB) is provided (Udb) by influencing the internal AC voltage (Uvb) of the phase position rectifier and thus the flow of active power between the converter and the AC mains, of ati: the control means comprises a regulator for generating a control signal (A5) for characteristic lator (S3, U¿-reg) regulating the DC voltage (SRB) of the second converter (Udb) independently of the regulation of the first the converter (SRA) and depending on the difference between, on the one hand, a setpoint (Udbref) supplied to the converter control unit and on the other hand a sensed value (Udbm) of this DC voltage.

Converter system according to claim 1, characterized in that: the control means comprise calculation means (PAC) of the second converter (SRB) forming a preliminary value (Ö ') for the phase difference (Ö) between the internal alternating voltage of this converter arranged to of current operating quantities (Uvb) and the voltage of the alternating voltage network (UL), as well as means arranged to control the said phase difference to a value corresponding to the sum of the preliminary value and the control signal.

Converter system according to claim 2, the means calculation means are arranged that for the phase difference (6) by means of plotted to form the preliminary value (ö ') of the expression SinÖ = (Udb'Id'Xb) / (Uvb-UL) 10 15 20 25 50b 503 398 where Udb is the DC voltage of the converter Uvb is the internal AC voltage of the converter Id is the DC current of the converter UL is the voltage Xb of the AC mains is the internal reactance of the converter.

A converter system according to claim 1, characterized by the voltage setpoint of: the control means being arranged to form equal (Udbref) as the sum of a basic setpoint (üdbrefg) and a current-dependent value (Rb.Id) in such a way that the direct voltage of the other converter ( Udb) increases with increasing direct current (Id).

The converter system according to claim 1, the core (SRB) has a device for controlling the ratio, depending on the internal alternating voltage (Uvb) of the supplied (co)) and its DC voltage (Udb), of the second pulse (SPD) amplitude control signal. between current and that the control means comprise reactive power control means (S1, UL-reg, UC) arranged to form said amplitude control signal in dependence on the difference between a sensed operating variable (UL) and a setpoint for said operating variable. (ULref>

A converter system according to claim 5, wherein the second converter (SRB) is connected to the AC voltage tor (TRB), the means (ACN) via a winding coupler provided with a transformer, characterized in that the reactive power controllers (UC) are arranged to, if the amplitude control signal (ku) reaches either the limit (kumax, cumin) of a predetermined interval, outputting a control signal (NLb) to the winding switch to change the transformer turnover.

Converter system according to claims 4, 5 and 6, characterized in that the reactive power controlling means comprise means (UC) arranged to, if the winding coupler reaches either the limit of its control range, change the basic setpoint (üdbrefo) for the DC direct voltage (Udb). 503 398

A converter system according to claim 5, the core of which is determined by the fact that the operating variable consists of the voltage of the AC mains (UL).