SE527687C2 - Anordning och metod för styrning av en spänningsstyv strömriktare - Google Patents

Description

25 .30_ 35 527 6-87 strömriktare innefattar sålunda en brygga med sex ventiler där varje ventil innefattar åtminstone en switch. En switch innefattar en släckanordning och en därmed antiparallell- kopplad diod. Genom detta arrangemang stoppas strömmen på 'ett kontrollerbart sätt i ena riktningen men passerar fritt i motsatt riktning. För högspänningstillämpningar innefattar varje ventil ett flertal seriekopplade switchar med sådana släckanordningar och antiparallella dioder.

Eftersom belastningen är av induktiv typ är det nödvändigt att en diod som betecknas som en ”frihju1sdiod" placeras parallellt med switchen för att tillåta att belastnings- strömmen flyter när motsvarande switch är öppen. En vidare utveckling av tvånivåströmriktaren är trenivåströmriktaren som kräver sex extra dioder. Denna strömriktare är även känd som en nollpunktsspänd (neutral point clamped, NPC) ström- riktarbrygga.

Genom att som ett exempel använda en brygga hos en tvånivå- strömriktare styrs växelströmsutspänningen hos en strömrik- tare, amplituden, fasvinkeln och frekvensen hos grundtons- frekvensen såväl som den harmoniska distorsionen genom att alternativt koppla till och från de två ventilerna på bryggan som är kopplade till samma fas. Därmed styrs växel- strömmen på önskat sätt. Pulssignalerna för styrning av switcharna genereras enligt en vald metod för pulsbredds- modulering (PWM).

Det finns en stor mängd PWM-metoder. De oftast använda meto- derna_ärlbärarbaserad PWM. såsom sinusformad pulsbredds- modulering, SPWM, och bärarlös PWM, såsom optimal puls- breddsmodulering, OPWM. Moduleringsteknikerna enligt tek- nikens ståndpunkt bygger på antagandet att kopplingselemen- ten hos strömriktaren fungerar på ett idealt sätt, dvs de kopplas in och ur exakt vid de tidpunkter som styrningen dikterar. Dessa räknas som ideala kopplingsögonblick i det följande. I verkligheten avviker dock strömriktarens ut- spänningsvågform från vad som ursprungligen dikterades av styrningen. l0 l5 "20 25 30” 35 527 687 En första orsak är att kopplingsanordningarna inte är ideala. En kopplingsanordning har en fördröjd reaktion på sin styrsignal vid tändning respektive släckning. Den för- dröjda reaktionen beror på typen av halvledare, på dess märkström och märkspänning, på de styrande vågformerna vid gate-elektroden, på anordningens temperatur och i synnerhet på den aktuella ström som skall kopplas. eller ”dödtiden”, som maste införas mellan en öppningsorder (släckorder) hos En andra orsak är den s k blankingtiden, en första ventil och en stängningsorder (tändorder) hos en andra ventil på samma brygga. Närvaron av en blankingtid gör så att de två ventilerna hos en strömriktarbrygga aldrig stängs vid samma tid för att förhindra en kortslutning.

En tredje orsak som bidrar till deformationen av utspänning- en är skillnaden i stig- och fallhastigheten, dv/dt, hos spänningen över kopplingsanordningen under släckning och tändning. Detta kan bero på närvaron av en snubberkrets eller parasitisk kapacitans i dioderna. Deformationen är märkbar i synnerhet när kopplingsströmmen är låg.

Enligt de nämnda orsakerna blir det en fördröjning mellan kopplingsordern och den verkliga kopplingshändelsen. För att åstadkomma en verklig kopplingshändelse som motsvarar det ideala kopplingsögonblicket måste kopplingsordern sändas i förväg. Således maste man för varje omkoppling ta hänsyn till en verkningstid hos ventilen. Verkningstiden hos en ventil definieras i det följande som tidsskillnaden mellan den~verkliga>kopplingsordern och det verkliga kopplings- händelsen. Verkningstiden innefattar således den fördröjda reaktionen hos kopplingsanordningen, blankingtiden och den variation som orsakas av den låga stig- och fallhastigheten hos spänningen (dv/dt). Konsekvensen av variationen hos dess parametrar ger upphov till ett icke~linjärt fel mellan den beordrade spänningen och den verkliga strömriktarutspänning- en. Detta resulterar inte bara i ytterligare övertoner med låga ordningstal, t ex 5:e och 7:e övertonerna, utan ibland också i instabilitetsproblem hos styrsystemet. Det har där- 10 15 20 25 _ 35 527 687 för gjorts många försök att korrigera eller kompensera för dessa fel.

Genom US 5 991 176 är tidigare känd en metod för behandling av PWM-vågor och en anordning därför. Ändamålet med metoden är att minska eller undanröja effekten av blankingtiden (betecknad som dödtid) vid en växelriktare eller en styrd likriktare. Den kända växelriktaren styrs av en modulator och en diskriminator. Modulatorns roll är att skapa en in- ställd våg, medan diskriminatorn gör det möjligt att uppdela denna våg i ett flertal vågor som är avsedda för individuell styrning av de olika switcharna. Syftet med diskriminatorn är att införa en fördröjning i slutningen av motsvarande switchar, så att det alltid är säkert att - när komandot att sluta en switch ges - motstående switch redan är öppen.

Den kända metoden föreslår användning av två korrigerade styrinställningssignaler, en för det fall då strömmen är en utström och en för det fall då strömmen är en inström. Det är riktningen hos strömmen i belastningen som bestämer om det är den ena eller den andra av de två korrigerade in- ställda signalerna som skall användas. Kopplingsordern kom- penseras sålunda för blankingtiden.

Genom US 6 535 402 är tidigare känd en metod för adaptiv kompensation av dödtiden för en växelriktare och en ström- riktare. Ändamålet med metoden är att kompensera för effek- ten av dödtiden för att undvika strömdistorsion och moment- rippel vid motorer som drivs av en sådan växelriktare. >Skriften~inser svårigheten med att mäta nollgenomgången hos strömmen och föreslår sålunda en förspänningsström som pä- Sedan fastställs när strömmen går genom strömmens förspänningsnivå. En andra dödtidskom- pensation härleds från strömgenomgången hos den förspända nivån och läggs till den första dödtidskompensationen hos en läggs den förvrängda strömmen.

WM-signal.

De kända metoderna för korrigering av fel mellan den be- ordrade spänningen och den verkliga utspänningen enligt tek- 10 15 20 25 _30H- 35 527 587 nikens ståndpunkt bygger på strömmätningar. De kända meto- derna är sålunda baserade på mätning av strömkoppling. En kompensation av frammatningstyp åstadkoms, vilken enbart korrigerar det genomsnittliga spänningsfelet orsakat av blankingtiden eller lågt dv/dt. Felet som beror på reak- tionstiden hos kopplingsanordningarna tas inte i beaktande.

Det finns ingen återkopplingskontroll eller bekräftelse som talar om huruvida tändningen eller släckningen av kopplings- anordningarna inträffar vid exakt det ögonblick som styr- ningen dikterar. Dessutom kräver den i US 6 535 402 beskriv- na metoden ytterligare hårdvarukomponenter, vilket kan vara mycket kostsamt vid högeffekttillämpningar.

De metoder som är kända genom teknikens ståndpunkt kan fun- gera tillräckligt väl under vissa förhållanden. Under andra förhållanden kan det hända att de inte fungerar på rätt sätt. Ett sådant fall är när omkopplingsfrekvensen är låg och induktansen också är låg, vilket kan leda till ett mycket högt strömrippel. I typfallet vid högeffekttillämp- ningar vid STATCOM och HVDC är strömriktarna direktkopplade till elnätet. I sådana situationer kommer de att ha högt kopplingsströmrippel. Det är uppenbart i ett sådant fall att strömriktningen skiljer sig från ett kopplingsögonblick till nästa kopplingsögonblick.

Det kan vara möjligt att använda en predikterad ström vid nästa kopplingsögonblick för att uppskatta verkningstiden för nästa koppling i förväg. Det är dock mycket svårt att garantera riktigheten i den predikterade strömmen, då rik- tigheten av'den predikterade strömen inte bara beror på strömriktarens referensspänning, på noggrannheten i den uppmätta strömmen och den uppmätta spänningen, utan också på beräkningshastigheten i styrprocessen.

Vid högeffekttillämpningar, såsom vid HVDC och STATCOM, leder övertonerna med låga ordningstal till mycket höga kostnader för filtreringsapparater. Det finns sålunda ett behov av en ny styrmetod som kan förverkliga koppling med hög precision, och sålunda undanröjer effekten av ovannämnda 10 15 20 25 _i30M 35 527 687 fel, för spänningsstyva strömriktare vid högeffekttillämp- ningar. ' RsDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ett primärt ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en metod och en apparat för styrning av en spänningsstyv strömriktare genom vilken precisionen i om- kopplingsstyrningen höjs och påverkan från de ovan diskute- rade felen minimeras. Ett andra ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en metod och en apparat som eliminerar över- tonerna med låga ordningstal, t ex 5:e och 7:e övertonerna, samt instabilitetsproblemen i systemstyrningen. Ett ytterli- gare ändamål år att bestämma verkningstiden för en ventil med hög precision. Ännu ett ändamål är att åstadkomma en metod som är lämplig för strömriktare med högt strömrippel, såsom i högeffekttillämpning i ett kraftsystem, såväl som för strömriktare med lågt strömrippel, såsom i drivsystem och andra tillämpningar. Ett vidare ändamål är att åstad- komma en metod som inte kräver någon ytterligare hårdvara och som är oberoende av huruvida information från strömmat- ning eller spänningsmätning används.

Dessa ändamål uppnås genom en apparat kännetecknad av sär- dragen i det oberoende patentkravet 1, genom en metod känne- tecknad av stegen i det oberoende patentkravet 7, eller genom ett datorprogram kännetecknat av särdragen i det obe- roende patentkravet 10. Föredragna utföringsformer beskrivs i de beroende patentkraven.

Enligt uppfinningen detekteras den verkliga kopplingshändel- sen, och genom en jämförelse mellan det ideala kopplings- ögonblicket och den detekterade kopplingshändelsen inställs verkningstiden. Tiden för det ideala kopplingsögonblicket subtraheras från tiden för den verkliga kopplingshändelsen och adderas till den föreliggande verkningstiden för att bilda en justerad verkningstid. Om den beräknade skillnaden sålunda är positiv ökas verkningstiden, och om skillnaden är negativ minskas verkningstiden. Om det inte är någon skill- 10 15 20 25 30., 35 527 687 nad mellan det ideala kopplingsögonblicket och den verkliga kopplingshändelsen behövs ingen justering av verkningstiden.

En tidsskillnad mellan den ideala kopplingstidpunkten och den verkliga verkliga kopplingshändelsen fràn en första puls kan användas för att korrigera verkningstiden för nästa puls. Genom att göra sa uppkommer tva betydande faktorer att ta hänsyn till. För det första är den prestanda hos härd- varan som behövs för att beräkna skillnaden och den inställ- ning som behövs mellan tvä närliggande pulser mycket stor.

För det andra kanske inte kopplingsvillkoret för den första pulsen är det samma som för den andra pulsen. verkningstiden skulle sålunda kunna bli annorlunda och inställningen kan bli sämre än genom att endast beräkna ögonblicket för att sända kopplingsordern.

Enligt uppfinningen används den inställda verkningstiden för en utvald puls under en första period av grundtonsfrekvensen för att korrigera den verkliga kopplingsordern för samma puls under en påföljande period av grundtonsfrekvensen. Sá- lunda används den information som utvunnits frän den första perioden till att bestämma kopplingsordern under en följande period. Genom att memorera verkningstiden för en puls under en första period av en grundtonsfrekvens blir det gott om tid att beräkna kopplingsorderjusteringen för nästa period av grundtonsfrekvensen. Sålunda minskas kravet pä härdvaru- prestandan. Genom att justera verkningstiden för samma puls under pä varandra följande perioder tar man hänsyn till den variation som är relaterad till den fördröjda reaktionen hos enlkomponentloch dess arbetsförhållanden eftersom kopplings- förhällandet skulle vara det samma för en motsvarande puls under pà varandra följande perioder av grundtonsfrekvensen.

Enligt en första aspekt av uppfinningen uppnås ändamalen genom en metod för styrning av en VSC genom en PWM-puls- signal innefattande en ideal kopplingstidpunkt för varje kopplingspuls, varvid metoden innefattar att detektera en verklig kopplingshändelse för en utvald kopplingspuls under en första period av grundtonsfrekvensen, inställa en verk- 10 15 20 25 _3g__ 35 527 687 ningstid för den utvalda kopplingspulsen genom jämförelse mellan det ideala kopplingsögonblicket och den verkliga kopplingshändelsen, och genom den inställda verkningstiden korrigera en kopplingsorder för en motsvarande puls under en därpå följande period av grundtonsfrekvensen.

För varje motsvarande puls under angränsande perioder av grundtonsfrekvensen är arbetsförhållandena i princip de- samma. Den aktuella belastningen är den samma och läget i perioden är det samma. Reaktionstiden för två motsvarande pulser under olika perioder skulle sålunda ocksa vara den samma. Genom denna adaptiva metod blir osäkerheterna i be- . stämingen av reaktionstiden hos halvledaren på grund av de aktuella arbetsbetingelserna självjusterande. Metoden är tillämpbar både på stationära system och också för system med variabel frekvens, speciellt när variationen är långsam.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen beräknas ett medelvärde för verkningstiden för varje puls under en period ur verkningstider hos likvärdiga pulser under föregående perioder. Det memorerade värdet är sålunda ett medelvärde av det tidigare värdet och det nya värdet. Beräkningsmetoden är antingen en linjär medelvärdesmetod eller en exponentiell medelvärdesmetod.

Vid en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen utvärderas bestämingen av kopplingshändelsen genom spän- ningsmätning över elektroderna hos halvledarelementet.

-Genom-att-inställa»den verkliga ordertidpunkten för varje puls under en period av grundtonsfrekvensen från information hos samma puls under en föregàende period, uppträder spän- ningsändringen på ventilen exakt i det ögonblick som styr- ningen begärde. Fördelen med föreliggande uppfinning är att övertoner med låga ordningstal reduceras till en miniminivå.

Detta innebär en betydande minskning av filterkostnaderna.

En annan fördel är att styrningsstabiliteten för strömrik- tare med OPWM undviks. 10 15 20 25 t 30 35 527 687 Enligt en andra aspekt av uppfinningen uppnås ändamàlen genom att en kontrollapparat tillhandahåller en pulsbredds- moduleringssignal (PWM-signal) för styrning av ventilerna hos en strömriktarbrygga. Kontrollapparaten innefattar av- känningsmedel för att detektera den verkliga kopplingshän- delsen hos halvledarkomponenterna och datormedel innehall- ande minnesmedel för att beräkna och memorera verkningstiden för varje puls under en period av grundtonsfrekvensen och för att korrigera den faktiska kopplingsordern hos en mot- svarande puls under en påföljande period av grundtonsfre- 'kvensen. Apparaten innefattar vidare signaleringsmedel för att åstadkomma och överföra information mellan datormedlet, detekteringsmedlet och halvledarelementen i strömriktaren.

Vid föredragna utföringsformer av uppfinningen är PWM:n en bärarlös PWM, exemelvis an optimal pulsbreddsmodulering, OPWM, eller en bärarbaserad PWM, exempelvis en sinusformad pulsbreddsmodulering, SPWM.

Enligt en tredje aspekt av uppfinningen uppnås dessa ändamal genom en datorprogramprodukt innefattande instruktioner för apparaten att utföra metoden att korrigera den verkliga ordertidpunkten för en puls under en period av grundtons- frekvensen genom information fràn en likvärdig puls under en föregående period av grundtonsfrekvensen. Datorprogrammet beräknar även verkningstiden för varje kopplingspuls.

FIGURBESKRIVNING Andra särdrag och fördelar med föreliggande uppfinning .kommer att framgå klarare för fackmannen genom följande detaljerade beskrivning under hänvisning till bifogade ritningar, där: Figur la är en grafisk framställning av en strömriktare, Figur lb är en generell framställning av en brygga hos en tvànivàströmriktare, 10 15 20 25 _.3O 35 527 687 10 Figur 2 är ett diagram som visar en ideal puls, motsvarande puls till övre och undre ventilen samt den resulterande spänningen, Figur 3 är ett diagram som visar olika frànkopplingsbeteen- den, Figur 4 är ett diagram som visar ett strömrippel, Figur 5 visar ett fasben hos en högspänd strömriktarkrets, Figur 6 är ett diagram som visar fördröjningen av kopplings- händelsen som funktion av strömmen, Figur 7 är ett diagram över spänningsdetektering för kopp- lingshändelsen, Figur 8 är ett diagram över strömdetektering för fördröj- ningen av kopplingshändelsen, Figur 9 är ett blockdiagram över en första utföringsform av en styrmetod och en apparat enligt uppfinningen, och Figur 10 är ett blockdiagram över en andra utföringsform av en styrmetod och en apparat enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER En brygga hos en tvànivàströmriktare visas som ett exempel i _figurN1r Figur la illustrerar den fullständiga trefasiga. tvàngskommuterade bryggan och figur lb är en enfasig del av bryggan. Bryggdelen innefattar en första ventil V1 och en andra ventil V2 och har ett nedre likströmsuttag U@,och ett övre likströmsuttag Qw. Varje ventil innefattar åtminstone en kopplingsanordning som innehåller ett självkommuterande halvledarelement och ett därmed antiparallellkopplat diod- element. Vid den visade utföringsformen innefattar det självkomuterande halvledarelementet en IGBT. Bryggan har ett växelströmsuttag.Um i med en växelström i. 10 15 20 25 3Q_W 35 527 687 11 Vid drift av strömriktaren maste en blankingtid, eller 'dödtid', läggas in mellan öppningsordern (släckordern) hos den första ventilen och stängningsordern (tändordern) hos den andra ventilen och omvänt. Orsaken till detta är att de tva ventilerna hos en strömriktarbrygga aldrig bör stängas samtidigt för att förhindra kortslutning. Effekten av blan- kingtiden illustreras i figur 2. Den första vägformen 1 är den ideala kopplingspulsen. Den andra vàgformen 2 är order- pulsen till den första ventilen V1 och den tredje vàgformen 3 är orderpulsen till den andra ventilen V2. Den fjärde väg- formen 4 är den resulterande spänningen Um. Blankingtiderna betecknas th. Det visas i figur 2 att bade fasläget och spänningstidomrädet, som bestämmer amplituden, skiljer sig frän den ideala pulsen, dvs den beordrade utspänningen.

Som illustrerat definieras ett positivt strömvärde som en inström. Om strömmen är positiv leder IGBT:n i den andra ventilen V2 och dioden i den första ventilen V1 strömen. I detta fall ändras strömmen i och spänningen över den andra ventilen V2 nästan omedelbart när en släckorder mottas av dess styrenhet. När en frànkopplingsorder sänds till den första ventilen V1 kommer emellertid strömmen i och spän- ningen över den första ventilen Vl inte att ändras. Änd- ringen av ström och spänning pà den första ventilen V1 uppträder först när den andra ventilen V2 mottar en tänd- order. Följden blir att spänningen pà växelströmsuttaget skiljer sig från den spänning som begärdes av styrningen.

Detta visas genom att jämföra vagformen hos den ideala pulsen I och den resulterande spänningen 4 vid växelströms- nttaget-rMm__.__W_ -Om strömmen är negativ komer dioden i den andra ventilen V2 och IGBT:n i den första ventilen Vl att leda strömen. Ett spänningsfel kommer att bildas när en frànkopplingsorder sänds till den andra ventilen V2 och den resulterande spän- ningen pà växelströmsuttaget kommer att bli säsom visat i den femte vàgformen 5 i figur 2. 10 15 20 25 ,“30tl 35 527 687 12 När strömamplituden är låg kan strömriktningen skilja sig från en kopplingshändelse till nästa kopplingshändelse. Det är då möjligt att dioderna i både den första ventilen Vl och den andra ventilen V2 leder strömmen under frånkopplingen, dvs strömen är negativ när den första ventilen Vl från- kopplas och den ändras till positiv när den andra ventilen V2 frånkopplas. I detta fall komer spänningen på växel- strömsuttaget att bli såsom visat i den sjätte vågformen 6 i figur 2 under förutsättning att kopplingsanordningarna har ett idealt beteende. Det är också möjligt att IGBT:n i både den första ventilen V1 och den andra ventilen V2 leder strömmen under frånkopplingen. I detta tillstànd kommer spänningen på växelströmsuttaget att bli såsom visat i den sjunde vågformen 7 i figur 2 under förutsättning att kopp- lingsanordningarna hade ett idealt kopplingsbeteende.

Det framgår således att både fasläget och spänningstidområ- det skiljer sig från den styrningsbeordrade utspänningen när strömamplituden är stor. Om strömamplítuden är liten kan fasläget skilja sig från ordern, men spänningstidområdet verkar bli det sama som det som styrningen begärde. Det bör emellertid noteras att vid släckning av låga strömmar ökar spänningen långsammare än vid höga strömar. Som exempel visar 3 olika frånkopplingsströmmar och deras motsvarande spänningar över ventilen under frànkopplingsförloppet. Spän- ningsderivatan är tydligen lägre vid en kopplingsström om 100 A än vid en kopplingsström om 2500 A. Den låga spän- ningsderivatan kommer också att bidra med ett spänningsfel i jämförelse med den styrningsbeordrade spänningen.

Omkopplin halvledande elementet beroende på kopplingsströmmen. För två närliggande pulser är dessa tillstånd sällan desamma, i synnerhet för högeffekttillämpningar där omkopplingsfrekven- sen är låg. Omkopplingstiden hos ett halvledarelement kommer därför inte att bli den samma för två närliggande pulser. gen påverkas av ett icke linjärt beteende hos det Verkningstiden, som förutom omkopplingstiden även innefattar blankingtiden, påverkas följaktligen. Detta betyder att en adaptiv beräkning av verkningstiden för en påföljande puls 10 15 20 25 . 1 _ 3.0, _ 35 527 687 13 utifrån information i den föregående pulsen inte kommer att bidra till att öka precisionen i en effektuerad kopplings- händelse. I figur 4 visas strömen 5 och pulssignalen 6 till den övre ventilen som funktion av tiden. Det är dà uppenbart att strömríktningen skiljer sig från ett kopplingstillfälle till nästa kopplingstillfälle.

Ett fasben hos en högspänd strömriktarkrets, pa vilken den föreliggande.uppfinningen är tillämpbar, visas schematiskt i figur 5. Det finns normalt tre fasben med en gemensam lik- strömskondensator 13 i en anläggning som är ansluten till ett trefasigt växelströmsnät. Detta innefattar pa konven- tionellt sätt ett flertal krafthalvledarkomponenter 11 kopp- lade i serie, här i form av IGBT:er, och en s k frihjulsdiod 12 kopplad antiparallellt med varje sådan komponent. Antalet ' seriekopplade krafthalvledarkomponenter är i praktiken be- tydligt högre än vad som anges i figur 5.

Seriekopplingen av krafthalvledarkomponenter kopplas till en likströmskondensator 13, medan fasuttaget 14 mellan kraft- halvledarkomponenterna kopplas genom en fasreaktor 15, t ex en fas hos ett växelspänningsnät. Krafthalvledarkomponen- terna med dioder anordnade över fasuttaget 14 i figur 5 bildar en IGBT-ventil och de som är placerade därunder bil- dar en annan IGBT-ventil.

Alla krafthalvledarkomponenter i IGBT-ventilen tänds sam- tidigt genom signaler från en drivenhet 16, var och en sche- matiskt visad, så att krafthalvledarkomponenterna i den förstaiIGBT-ventilen_är_ledande när en positiv potentialm önskas vid fasuttaget 14 och krafthalvledarkomponenterna i den andra IGBT-ventilen är ledande när en negativ potential önskas pà fasuttaget 14.

Genom styrning av krafthalvledarkomponenterna enligt ett bestämt pulsbreddsmoduleringsmönster (PWM-mönster) kan lik- spånningen över likströmskondensatorn 13 användas för att alstra en spänning vid fasuttaget 14, vars grundtonskompo- nent är en växelspänning som har en önskad amplitud, fre- 10 15 20 25 ..3gl 35 527 687 14 kvens och fasläge. Sådan styrning äger rum genom att sända styrpulser till de olika drivenheterna fràn en kontroll- apparat 17, vilket normalt äger rum genom fiberoptik. I figur 5 finns det en första optisk fiber 9 och en andra redundant optisk fiber 10.

Informationsutbytet mellan styrenheten 17 och en drivenhet 16 är dnbbelriktad komunikation via en optisk fiber.

Kopplingsordern sänds fràn styrenhet 17 till drivenhet 16.

Indikeringssignalen vid kopplingstillfället kan sändas tillbaka fràn drivenhet 16 till styrenhet 17. Styrenheten 17, som är placerad pà en làgspänningspotential, separeras galvaniskt fràn drivenheten 16, som är placerad pà hög- spånningspotential. Indikeringssignalen vid ett kopplings- tillfälle alstras i drivstyrenheten.

Det finns ett flertal faktorer som pàverkar fördröjningen fràn kopplingsordern till den verkliga omkopplingen. Kopp- lingsanordningarna är inte ideala och kopplingsbeteendet är i hög grad beroende av styrdrivenheternas egenskaper. Kopp- lingsanordningarna reagerar fördröjt pà sina styrsignaler vid tändning och släckning. Fördröjningstiden beror pà typen av halvledare, pà dess märkström och mârkspänning, pà de styrande vàgformerna hos gate-elektroden, pá anordningens temperatur och i synnerhet pà den faktiska ström som skall omkopplas. I figur 6 visas omkopplingsfördröjningen i bero- ende av strömmen.

Sàsom visats i figur 6 är strömriktningen den viktigaste «parametern.-Detta beror pa att olika strömriktningar be- stämmer om strömmen flyter i IGBT:er eller i dioder vid kopplingsögonblicket. Som har diskuterats tidigare maste en 'dödtid' eller blankingtid införas mellan släckordern för den första ventilen och tändordern för den andra ventilen.

Blankingtiden dominerar omkopplingsfördröjningen beroende pà strömen.

Pà grund av den fördröjda reaktionen hos kopplingsanord~ ningen och variationen i den låga stig- och falltakten hos 10 15 20 25 ,30H_ 35 527 587 15 spänningen (dv/dt) maste kopplingsordern sändas i förväg för att fa den verkliga kopplingshändelsen att inträffa vid det ideala kopplingsögonblicket. Om den verkliga kopplingshän- delsen inte äger rum exakt vid det ideala kopplingsögon- blicket betyder detta emellertid ett problem med bristande precision.

En första konsekvens av denna brist pà precision i omkopp- lingen är att den ger ytterligare övertoner med laga ord- ningstal, t ex de 5:e och 7:e övertonerna. En andra konse- kvens är att instabilitetsproblem kan uppträda i system- styrningen. Detta beror pa ett icke-linjärt fel mellan den beordrade spänningen och den verkliga utspänningen fràn strömriktaren. Enligt uppfinningen undanröjs detta icke- linjära fel genom att detektera den verklika kopplingshän- delsen, utvärdera tidsskillnaden mellan den verkliga kopp- lingsordern och den verkliga kopplingshändelsen on-line och i enlighet därmed inställa den verkliga kopplingsordern hos samma puls under nästa period av grundtonsfrekvensen. Detta fungerar pä rätt sätt oberoende av strömriktning och ampli- tud.

Ett första sätt att detektera den verkliga kopplingshän- delsen är att använda den uppmätta spänningen. Genom att använda en spänningsdelare mäts storleken pà en spänning över elektroderna hos den ena krafthalvledarkomponenten i en ventil och jämförs med ett förutbestämt referensvärde under frankopplingsförfarandet. Sásom visats i figur 7 betraktas den tidpunkt när mätspänningen 32 passerar referensen 33 som _den-verkliga.kopplingshåndelsen. Vid.tidpunkten för kopp- lingshändelsen alstras en signal 34 i styrenheten hos en halvledarkomonent. Signalen sänds tillbaka till ventil- styrningen för att ange den tidpunkt da den verkliga kopp- lingen äger rum. Vid fel pà nagon enskild halvledarkomponent kan flera sådana signaler sändas fràn olika halvledarkompo- nenter till sin motsvarande ventilstyrning. I ventilstyr- ningen kommer tiden fran sändningen av frankopplingsordern 31 till mottagandet av angivelsen av en verklig kopplings- _händelse 34 att memoreras och den kommer att användas för 10 15 20 25 H3Ql 35 527 687 16 att inställa motsvarande frankopplingsorder under nästa period av grundtonsfrekvensen.4 Enligt en föredragen utföringsform är referensspänningen lika med ungefär halva den stationära spänningen under fran- kopplingsstadiet.

Ett andra sätt att bestämma den verkliga kopplingshändelsen är att använda den uppmätta strömen. Växelströmen är upp- mätt och redan använd i systemstyrningen och skyddet. Den uppmätta strömmen sänds till ventilstyrningen som ingångs- data. För en specifik typ av halvledarkomponenter med en specifik styrenhet och styrning, samt en given blankingtid, kan förhållandet mellan kopplingsströmen och tidsfördröj- ningen, vilken är fran fränkopplingsordern till den verkliga frànkopplingshändelsen, erhållas via omkopplingstestning.

Figur 6 visar som exempel funktionsförhàllandet mellan kopp- lingsströmmen och tidsfördröjningen. Den erhållna funktionen införs antingen som en tabell eller en likvärdig icke-linjär funktion i ventilstyrningsprocessen. För varje uppmätt kopp- lingsström kan en motsvarande tidsfördröjning utvärderas genom att använda en tabell eller en icke-linjär funktion 41, såsom visats i figur 8. Den utvärderade tidsfördröj- ningen för varje frànkopplingsorder kommer att memoreras och den kommer att användas vid inställning av motsvarande fràn- kopplingsorder under nästa period av grundtonsfrekvens.

Ett generellt koncept för en första utföringsform av en styrmetod och apparat enligt uppfinningen visas i figur 9. I denna-utföringsform.kompenserar en pulsstyrningsprocessor (pulse control processor, PCP) för de fördröjningar som upp- träder vid en omkoppling av en ventil genom användning av adaptiv styrning. En drivenhet innefattande en ventilkon- trollenhet (valve control unit, VCU) detekterar den effektu- erade kopplingshändelsen hos en puls tß i ett pulstàg 19 för styrning av en spänningsstyv strömriktarventil för att bilda en grundtonsfrekvens 18. En pulssignal 20 som bär denna information sänds till en pulstyrningsprocessor, PCP, som ingar i kontrollapparaten. PCP:n mottar också en styrpuls 10 15 20 25 30~' 35 527 687 17 (CP) som representerar den kopplingsorder som har verk- ställts. PCP:n beräknar genom jämförelse mellan pulssignalen 20 och styrpulsen CP reaktionstiden för pulsen tßy dvs hur lang fördröjningen var fran kopplingsordern som sändes till den effektuerade kopplingshändelsen. Den beräknade reak- tionstiden 21 för varje puls under en period av grundtons- frekvensen lagras i ett minne M.

En pulsbreddsmoduleringsstyrenhet representerad av blocket OPWM sänder en pulssignal 22 som representerar den kopp- lingsorder som dikteras av systemstyrningen, dvs den ideala kopplingsordern. En signal 23 som representerar den beräk- nade reaktionstiden för en puls tf adderas genom ett addi- tionsmedel 24 till ordersignalen 22 för att bilda en ny ordersignal 25 som syftar till att påverka den faktiska kopplingshändelsen vid önskad tidpunkt. Den nya ordersig- nalen 25 sänds till en styrpulsbildare C för att utföra en kopplingsorder för nästa omkoppling.

Normalt uppdelas den totala styrningen av en strömriktare i HVDC-tillämpning i tre större delar. För det första är det systemstyrningen som styr den aktiva effekten/likspänningen och den reaktiva effekten/växelspänningen liksom växel- strömmen. Den önskade eller ideala pulsen genereras från systemstyrningen. För det andra är det ventilstyrningen som motsvarar organ 17 i figur 5. För det tredje är det driv- styrenheten, som motsvarar organ 16 i figur 5.

Ett generellt koncept för en andra utföringsform av en styr- -metod-och apparat enligt-uppfinningen visas i figur 10. I denna utföringsform utvärderas reaktionstiden, vilken repre- senteras av signalen 26, för pulsen tnlgenom att använda den uppmätta växelströmmen och ett funktionsblock 41, vilket har beskrivits tidigare och visats i figur 8. Den beräknade reaktionstiden 21 för varje puls under en period av grund- tonsfrekvensen lagras i ett minne M. En signal 23 som repre- senterar den beräknade reaktionstiden för en puls tnzadderas genom ett additionsmedel 24 till ordersignalen 22 för att 10 15 20 25 ,3O 35 527 687 18 bilda en ny ordersignal 25 som syftar till att paverka den faktiska kopplingshändelsen vid önskad tidpunkt. Även om det är fördelaktigt skall inte uppfinningen begrän- sas till de sàsom exempel anförda utföringsformerna. Huvud- tanken bakom uppfinningen är användning av information fran en kopplingspuls under en första svängningsperiod av en grundtonsfrekvens för att styra omkopplingen av en ekviva- lent puls under nästa period. Bestämningen av den verk- ställda kopplingshändelsen kan sålunda utvärderas ur an- tingen spänningsmätningar eller strömmätningar. Även andra detaljmodifieringar kommer att framgå klart för en fackman efter studium av de häri angivna direktiven. Sådana modifie- ringar ligger inom ramen för föreliggande uppfinning.

Claims (13)

10 15 20 25 "30__ 35 527 687 19 PATENTKRÄV

1. Apparat för styrning av en spänningsstyv strömriktare med åtminstone två bryggor (V1, V2) av halvledande självkommute- rande element (11) kopplade antiparallellt med en diod (12), innefattande medel (OPWM) för att åstadkoma ett kopplinge- styrpulståg (19) för att bilda en grundtonsfrekvens (18). medel (C) för att utföra en kopplingsorder (CP) samt medel (VCU) för att detektera en kopplingshändelse, kännetocknad av att apparaten innefattar datormedel (PCP) för att beräkna en reaktionstid (t1, tg) mellan en kopplingsorder (CP) och en kopplingsnanaelss (20) för en utvald puls hos pulstages sam: medel (24) för att adaptivt kompensera för kopplingsordern hos en likvärdig puls under en påföljande svängningsperiod av en grundtonsfrekvens.

2. Apparat enligt patentkrav 1, varvid medlet för att adap- tivt kompensera kopplingsordern innefattar ett minnesmedel (M) för att lagra de beräknade reaktionstiderna för varje puls av svängningsperioden av grundtonsfrekvensen.

3. Apparat enligt patentkrav 1 eller 2, varvid medlet (VCU) för att detektera en kopplingshändelse innefattar medel för att mäta en spänning över elektroderna hos åtminstone en halvledarkomponent i en ventil.

4. Apparat enligt nagot av föregående patentkrav, varvid medlet (OPWM) för att åstadkomma ett kopplingstyrpulståg innefattar en optimal pulsbreddsmodulator.

5. Apparat enligt något av föregående patentkrav, varvid datormedlet (PCP) för att beräkna en reaktionstid innefattar medel för att beräkna medelvärdet för reaktionstiden för varje puls under svängningsperioden av grundtonsfrekvensen.

6. Apparat enligt patentkrav 5, varvid medelvärdet inne- fattar ett exponentiellt medelvärde. 10 15 20 25 30 35 527 687 20

7. Metod för styrning av en spänningsstyv strömriktare (VSC) innefattande åtminstone två bryggor (V1, V2) omfattande halvledande självkommuterande element (ll), var och en kopplad antiparallellt med en diod (12), samt en styrutrust- ning, klnnntocknat av - att anordna ett pulståg för att bilda en grundtonsfrek- vens, - att definiera en tidpunkt för att sända en kopplingsorder för en puls i pulståget av grundtonsfrekvensen, - att sända kopplingsordern, - att bestämma den verkliga kopplingshändelsen, - att jämföra den verkliga kopplingshändelsen med en önskad kopplingshändelse, och - att inställa tidpunkten för att sända en kopplingsorder för en likvärdig puls under en påföljande svängningsperiod av grundtonsfrekvensen.

8. Metod för styrning av en spänningsstyv strömriktare genom en pulsbreddsmoduleringssignal innefattande en ideal kopp- lingstidpunkt för varje kopplingspuls, kännetecknat av - att bestämma en verklig kopplingshändelse för en utvald kopplingspuls under en första period av grundtonsfrekvensen, - att inställa en verkningstid för den utvalda kopplings- pulsen genom jämförelse mellan den ideala kopplingstid- punkten och den verkliga kopplingshändelsen, samt - att korrigera en kopplingsorder för en motsvarande puls i en påföljande period av grundtonsfrekvensen.

9. Metod enligt patentkrav 7 eller 8, varvid bestämningen av - den verkliga kopplingshändelsen innefattar mätning av spän- ningen över elektroderna hos åtminstone ett av halvledarele- menten.

10. Metod enligt patentkrav 7, varvid inställningen av tid- punkten för att sända en kopplingsorder för en likvärdig puls under nästa svängningsperiod innefattar en inställning av blankingtiden. 10 527 687 21

11. Datorprogramrodukt innefattande instruktioner för en processor (PCP) att utvärdera metoden enligt patentkrav 7 till 10.

12. Datorprogramprodukt enligt patentkrav ll tillhandahàllen åtminstone delvis via ett nät såsom Internet.

13. Datorläsbart medium, kännetecknat att det innehåller en datorprogramprodukt enligt patentkrav ll.