Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gleich¬ stromübertragung zwischen zwei Stromrichtern. Sie bezieht sich auch auf eine Regelanordnung für die Gleichstromüber¬ tragung zwischen zwei echelstromnetzen.

Zum Übertragen elektrischer Energie zwischen zwei Wechsel¬ spannungsnetzen wird in bestimmten Fällen von der Gleich¬ stromübertragung Gebrauch gemacht. Dabei wird an das erste Wechselspannungsnetz ein Gleichrichter angeschlossen, der einen Gleichstrom erzeugt, welcher wiederum einem Wechsel¬ richter zugeführt wird. Der Wechselrichter ist mit dem zweiten Wechselspannungsnetz verbunden. Auf diese Weise sind die beiden Wechselspannungsnetze über eine Gleich¬ stromverbindung miteinander gekoppelt. Die Energiefluδrich- tung kann dabei umkehrbar sein. Eine derartige Anordnung mit Gleichstromübertragung zwischen zwei Stromrichtern ist z. B. aus der WO 92/22 118 bekannt.

Für den Betrieb derartiger Anordnungen werden unterschied¬ liche Regelverfahren angewendet. Ein Beispiel hierfür ist das sogenannte Marginalstromverfahren. Hierbei weisen Gleichrichter und Wechselrichter jeweils einen Stromregler auf, deren Kennlinien um einen Marginalstrom voneinander versetzt sind. Es ist dabei auch üblich, daß beide Strom¬ richter einen Spannungsregler aufweisen. Auf diese Weise ist jedem Stromrichter eine genau definierte Arbeitskenn¬ linie zugeordnet, welche einen Strom- und Spannungsast auf¬ weist. Der Schnittpunkt der jeweiligen Arbeitskennlinien ergibt dann im Betrieb den Arbeitspunkt der Gesamtanord¬ nung. Je nach momentaner Betriebssituation ist bei einer derartigen Anordnung immer nur ein Regler, nämlich der für Strom oder Spannung, ggf. über eine Minimum- oder Maximum¬ auswahl, aktiv. Die übrigen Regler sind nicht im Eingriff. Wenn Störungen, z.B. durch harmonische Überlagerungen des

Gleichstromes, auftreten, kann sich der momentane Arbeits¬ punkt entsprechend der harmonischen Schwingungen dem Soll¬ arbeitspunkt nähern oder von diesem entfernen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Regelanordnung anzugeben, durch die das Regelverhalten bei der Gleichstromübertragung zwischen zwei Stromrichtern, die jeweils an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen sind gegebenüber dem Stand der Technik verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ver¬ fahren zur Gleichstromübertragung zwischen zwei Stromrich¬ tern, insbesondere für eine Hochspannungsgleichstromüber- tragungsanlage, wobei den Steuereinrichtungen der Strom¬ richter jeweils ein Steuersignal zugeführt wird und die jeweiligen Steuersignale aus Teilsteuersignalen zusammen¬ gesetzt werden, welche jeweils in Abhängigkeit von Teil¬ regelabweichungen zu einem gemeinsamen Arbeitspunkt der beiden Stromrichter gebildet werden.

Das neue Verfahren kann als multidimensionale Vektorrege¬ lung bezeichnet werden, welche beliebig viele Freiheits¬ grade aufweist, wobei die hierzu eingesetzten Regler (Reg¬ lerabweichungen) so aktiviert sind, daß sie - obwohl autark arbeitend - dem Gesamtverhalten der Gleichstromübertragung dienlich sind. Es können dabei vielfältige Sonderbedingun¬ gen und Strategien, z.B. für Fehlerfälle, im Betrieb der Gleichstromübertragung berücksichtigt werden. Die neue Reglerstruktur eignet sich insbesondere für digitale Regel¬ anordnungen, die mit einem Rechner und einem Programm re¬ alisiert werden. Eine Ausführung in analoger Technik ist jedoch auch ohne weiteres möglich. Die Erfindung eignet sich auch für einen Mehrpunktbetrieb mit mehr als 2 Strom¬ richtern. Eine bevorzugte Ausführungsform ist dreidimen¬ sional ausgeführt. Weitere Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend an¬ hand von Ausführungsvarianten und der Zeichnung beispiel¬ haft näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Anordnung zur Gleichstromübertragung;

FIG 2 eine erste Reglerstruktur, die für einen Gleich¬ richter vorgesehen ist;

FIG 3 eine zweite Reglerstruktur, die für einen Wechsel¬ richter vorgesehen ist;

FIG 4 ein Diagramm zum Arbeitεpunkt der Anordnung und

FIG 5 und 6 Beispiele von Reglern.

Die im folgenden verwendeten Bezugszeichen und Abkürzungen sowie ihre Bedeutungen sind am Ende dieser Beschreibung in einer Liste zusammengestellt.

FIG 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung 1, insbesondere eine HGÜ-Anlage, zur Gleichstromübertragung, bei der ein erstes und ein zweites Drehstromnetz 3a bzw. 3b elektrisch miteinander verbunden sind. Die Anordnung 1 weist dazu zwei Stromrichter 5a, 5b auf, die gleichstromseitig über eine gegebenenfalls geerdete Gleichstromleitung 7 oder Gleich¬ stromverbindung miteinander verbunden sind. Drehεtromseitig sind die beiden Stromrichter 5a, 5b jeweils mit einem der Drehstromnetze 3a bzw. 3b verbunden. Je nach Ausbildung der Gleichstromleitung 7 kann die gesamte Anordnung 1 z. B. als Kurzkupplung oder auch als Langstreckenübertragung (Long- Distance) ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Anwendung bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen (HGÜ) , die zum Koppeln von Energienetzen dienen. In den nachfolgenden Ausführungen soll davon ausgegangen werden, daß ein Energietransport vom Drehstromnetz 3a zum Drehstromnetz 3b erfolgt. Dabei ist der eine Stromrichter 5a als Gleichrichter und der andere Stromrichter 5b als Wechselrichter ausgebildet und betrieben. Selbstver¬ ständlich ist auch eine Energieumkehr möglich. Die nachfol¬ genden Ausführungen sind also für die umgekehrte Energie-

richtung sinngemäß anwendbar. Die Verfahrensweise wird beispielhaft anhand des Gleichrichterzweiges erläutert. Die Anordnung 1 weist an vorgegebenen Stellen nicht näher bezeichnete Meßfühler zum Erfassen der Ströme la und Ib, der Spannung UACa, UAcb, Ua und Üb.

Jedem Stromrichter 5a, 5b ist eine Steuereinrichtung 9a bzw. 9b zugeordnet, der von einer Regeleinrichtung 11a bzw. 11b ein zugehöriges Steuersignal, nämlich ein Signal für den Steuerwinkel αa bzw. ab, zugeführt wird. Die Steuer¬ winkel aa, ab beschreiben die Zündwinkel.

Ausgehend von dieser Konfiguration ist es für den Betrieb der Anordnung 1 wesentlich, daß die beiden Stromrichter 5a, 5b im stationären Betrieb, z. B. bei einer vorgegebenen, zu übertragenden Leistung P, aufeinander eingestellt sind, um einen möglichst verlustfreien und gleichzeitig stabilen Be¬ trieb zu ermöglichen. Sie sind dazu auf einen gemeinsamen Arbeitspunkt A eingestellt, der in FIG 4 in zweidimensio- naler Darstellung als I/U-Diagramm gezeigt ist. Dieser Ar¬ beitspunkt A beschreibt, ausgehend von der zu übertragenden Leistung P den Strom IA und die Spannung UA beim Arbeitε- punkt A für die Gleichstromverbindung. Die zu übertragende Leistung P, ist in der Regel ein Wert, der fest vorgegeben und allenfalls in großen Zeitabständen verändert wird. In der Praxis wird dieser Wert beispielsweise durch telefo¬ nische Nachrichtenübertragung von einer Umrichterstation zur anderen weitergegeben. Die Leistung P stellt daher so¬ zusagen die stationäre Betriebsleistung dar.

Vorliegend wird nun dieser Arbeitspunkt A als mehrdimen¬ sionale Größe betrachtet. Er soll der von beiden Strom¬ richtern 5a und 5b im Zusammenwirken erreicht werden. Dazu werden den beiden Regeleinrichtungen 11a bzw. 11b Regelab¬ weichungen ΔAai bis ΔAan zugeführt. Mit dieser vektoriellen Betrachtungsweise wird erreicht, daß der jeweilige Strom¬ richter möglichst auf direktem Wege und schnellstmöglich

den Arbeitspunkt A erreicht. Obwohl jede Stromrichtersta¬ tion für sich autark den Arbeitspunkt A ansteuert, steht dies unter dem Gesamtziel, gemeinsam den Arbeitspunkt A zu erreichen. Es findet also eine gemeinsame Annäherung statt, wobei immer beide Umrichterstationen einen Beitrag leisten. Es ist zumindest immer ein Regeleingriff bei zwei Strom¬ richtern gleichzeitig vorhanden, gegenüber nur einem beim Stand der Technik.

Zur näheren Erläuterung dieser Arbeitsweise wird auf FIG 4 verwiesen. Dort ist im Stromspannungsdiagramm I/U ein vorgegebener Arbeitspunkt A gezeigt, den es zu erreichen gilt. Der momentane Arbeitspunkt ist mit Aist bezeichnet. Diese beiden Arbeitspunkte A, Aist werden nun als vek- torielle Größen A und Aist betrachtet. Aus der Differenz dieser beiden Vektoren ergibt sich der Regelabweichungs- vektor ΔA. Die Projektion dieses Vektors erzeugt die Re¬ gelabweichungen ΔAI und ΔAU, die den Regelabweichungen eines Strom- bzw. Spannungsreglers in der herkömmlichen Technik entsprechen. Um den Arbeitspunkt A (durch Nach¬ führung der Stromrichtersteuersignale) zu erreichen, ist es erforderlich, daß der Betrag der Regelabweichung ΔA auf Null geregelt wird, d. h. ΔAU und ΔAI müssen gleichzeitig Null sein. Daraus ergibt sich, daß diese Regelaufgäbe wahl¬ weise mit ein oder zwei Reglern ausgeführt werden kann.

Verallgemeinert wird bei dem vorliegenden Regelverfahren von der Gleichung

ΔA = Δi + Δu + + Δn

ausgegangen. Darin bedeutet Δi, Δu bis Δn die jeweiligen Regelabweichungen einer Regelgröße oder Dimension, wobei der Index den Bezug zur jeweiligen Regelgröße angibt. Hieraus ergibt sich für einen mehrdimensionalen Regler der Ansatz α = i + u+...+cυι,

wobei α der Steuerwinkel ist, der sich aus Teilsteuerwin- keln αi bis an zusammensetzt. Diese können von Teilreglern (fiktive Teilregler) geliefert werden. Unter der Voraus¬ setzung, daß die Teilregler PI-Regler sind, ergibt sich:

wobei

der Teilsteuerwinkel eines Stromreglers,

der Teilsteuerwinkel eines Spannungsreglers und

der Teilsteuerwinkel der n-ten Regelgröße ist.

Sortiert nach P- und I- Anteile kann geschrieben werden:

α = Kpi ■ di + KPU * du+....+K.Pn ^• dn H J ^■ _ oder = Kpi di + Kpu du+....+Kp- -dn + [Ti ^■ di + T_ - du+...+T _π -dn].

*7T *7T ^*

Dabei gilt: T _* und Tn = .

Hieraus ergibt sich der Aufbau eines mehrdimensionalen Reglers. Die Figuren 2 und 3 zeigen beispielhaft Ausfüh¬ rungen von Regleranordnungen mit Regeleinrichtungen 11a, 11b mit einer dreidimensionalen Struktur, die sich für einen Einsatz .bei der Anordnung la in FIG 1 eignen. Die Figuren sind dabei für den Fachmann selbsterläuternd. Eine

Erweiterung auf höherdimensionale Regelkonzepte ist mög¬ lich.

FIG 2 zeigt eine Konfiguration für den monopolaren Betrieb des Stromrichters 5a, der als Gleichrichter arbeitet. Die Regeleinrichtung 11a ist als Vektorregler aufgebaut, der sich für eine multidimensionale Regelung eignet. Der ge¬ samte Regelzweig des Gleichrichters weist eine hierarchi¬ sche Struktur auf.

Ausgehend von der vorgegebenen Leistung P (Solleistung) werden zunächst mit Hilfe eines Funktionsgebers F und eines Dividierers D eine feste ArbeitspunktSpannung UAF und ein fester Arbeitspunktstrom IAF gebildet. Das Ausgangssignal eines Funktionsgebers VDVOC mit spannungsabhängiger Charakteristik (VOLTAGE DEPENDENT VOLTAGE ORDER CHARACTERISTIC) wird zusammen mit der festen Arbeits¬ punktspannung UAF über eine Minimumauswahl MIN 1 geführt, welcher ein Vergleicher VI zum Bilden einer Spannungsregel¬ abweichung ΔAUa nachgeschaltet ist. Dem Vergleicher ist dazu der Spannungsmeßwert Ua zugeführt. Der Funktionsgeber VDVOC weist bevorzugt eine Kennlinie mit einer Geraden durch den Ursprung auf. Die Kennlinie ist abhängig von der vorgesehenen Strategie. Andere Kennlinien für andere Strategien sind jedoch auch möglich.

Die Abweichung zwischen der Leistung P und der gemessenen Leistung Pa, die aus Strom la und Spannung Ua ermittelt wird, wird mit einem Vergleicher V9 ermittelt. Ein daraus von einem Leistungsregler L erzeugtes Korrektursignal KP wird zusammen mit dem festen Arbeitspunktström IAF einem Summierer S2 zugeführt, der einem zweiten Minimumglied MIN2 vorgeschaltet ist. Diesem wird zusätzlich ein Signal eines weiteren Funktionsgebers VDCOL (VOLTAGE DEPENDENT CURRENT ORDER LIMITATION) zugeführt, der im Fehlerfall die Höhe des Arbeitspunktstromes IA bestimmt. Dieser Wert wird in einem weiteren Vergleicher V3 mit dem tatsächlichen Strommeßwert

la verglichen, um die Regelabweichung des Stromes ΔAIa zu erhalten.

Über einen weiteren Zweig ist- ein Eingriff eines Überstrom- reglers Ü möglich, der mittels eines Funktionsgliedes IF wirksam wird, wenn der Stromsollwert IA einen vorgebbaren Wert überschreitet. Es wird dann ein Änderungssignal ΔiK gebildet. Die Regelabweichungen ΔAUa, ΔAIa und ΔiK sind konkretes Beispiel einer dreidimensionalen Regelung der allgemeinen Darstellung in FIG 1 mit den Regelabweichungen ΔAal bis ΔAan.

Alle Änderungssignale ΔAUa, ΔAIa, ΔiK werden anschließend der als Vektorregler ausgebildeten Regeleinrichtung 11a zu¬ geführt, die gemäß der bereits oben beschriebenen Weise arbeitet. Sie kann bei Bedarf auch eine Aktivierungseinheit AE umfassen, mit der der Vektorregler freigegeben, gesperrt oder angehalten werden kann. Die Regeleinrichtung 11a liefert dann den gewünschten Steuerwinkel αa. Die Re¬ geleinrichtung 11a ist, wie der Fachmann erkennt, intern entsprechend den oben aufgeführten Gleichungen ausgebildet. Der nähere Aufbau ist der Beschreibung zu FIG 3 zu ent¬ nehmen.

FIG 3 zeigt analog hierzu den Aufbau eines Wechselrichter¬ regelungszweiges. Zusätzlich ist noch ein Löschwinkel- reglerzweig mit Funktionsgebern G und Gg enthalten. Der Löschwinkelsollwert wird aus der zu übertragenden Lei¬ stung P mit dem Funktionsgeber G bestimmt. Die Streckenver¬ stärkung im Regelkreis für den Löschwinkel wird mit dem Funktionsgeber Gg verändert. Dieser Zweig ist beispielhaft für den monopolaren Betrieb des Stromrichters 5b darge¬ stellt, wobei der hierarchische Aufbau vollständig verlas¬ sen wurde. Die Form der VDCOL- und VDVOC-Charakteristiken entsprechen denen des Gleichrichterzweiges. Die Charak¬ teristiken sind derart eingestellt, daß sie ein schnelles Heranführen des Wechselrichters an den Arbeitspunkt A

gewährleisten und in der Nähe des Arbeitspunktes A - also wenn quasi der Regelabweichungsvektor ΔA einen vorgebbaren Wert unterschreitet - dem Löschwinkelreglerzweig die Füh¬ rung überlassen.

Die Regelabweichungen ΔAUb, ΔAIn und ΔAγ werden dabei jeweils zwei Gruppen mit jeweils drei Multiplizierern M zugeführt, denen jeweils die zugeordneten Konstanten KP, KPu und KPi bzw. Tu, Ti und Tik zugeführt sind. Die Aus¬ gangssignale der Multiplizierer M einer jeden Gruppe werden mit Summierern S8 bzw. S7 summiert. Das eine Summensignal wird einem I-Regler IRb zugeführt, dessen Ausgangεsignal mit dem Summensignal des anderen Summierers S7 addiert und über einen Begrenzer Bb geführt wird. Am Auεgang εteht dann der Steuerwinkel α b zur weiteren Verarbeitung zur Verfü¬ gung. Die Regeleinrichtungen 11a und 11b des Gleichrichters 5a und des Wchselrichters 5b unterschieden sich lediglich durch die Aktivierungseinrichtung AE, die wahlweise, auch beim Wechselrichter 5b, vorgesehen werden kann.

FIG 5 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung für den Aufbau einer Regeleinrichtung 11c, wie sie prinzipiell in FIG 2 und 3 Anwendung findet. FIG 6 zeigt eine alternative Ausführung, die in bestimmten Fällen auch eingesetzt werden kann.

Bei der Regeleinrichrtung 11c nach FIG 5 werden die Regel¬ abweichungen ΔAal bis ΔAan jeweils zugeordneten Multipli¬ zierern MT und MP zugeführt. Die Ausgangssignale der Multi¬ plizierer MT werden addiert und einem I-Regler II zuge¬ führt, desεen Auεgangssignal mit den Auεgangεεignalen der Multiplizierer MP zum Steuerwinkel α im Summierer SS auf- εum iert wird.

Bei der Regeleinrichtung 11a nach FIG 6 werden die Regel¬ abweichungen ΔAal biε ΔAan jeweilε zugeordneten Multi¬ plizierern MP und I-Reglern II zugeführt. Zum Bilden des

Steuerwinkels α werden die Ausgangsεignale aller Multi¬ plizierer MP und I-Regler II von einem Summierer Sll addiert .

Zusammenfassend kann das Regelkonzept für die einzelnen Stromrichter folgendermaßen beschrieben werden:

a) am Gleichrichter 5a gibt es eine hierarchische Reglerstruktur; diese umfaßt einen Leistungεregler und einen dreidimenεionalen Vektorregler 11a für u, i und i

³ ax

b) am Wechselrichter 5b gibt es einen dreidimensionalen Vektorregler 11b für u, i und 7.

Das aufgezeigte Regelverfahren und die zugehörigen Einrich¬ tungen können selbεtverεtändlich im Rahmen von fachmänni- εchen Überlegungen modifiziert oder ergänzt werden. Ins¬ besondere ist es denkbar, die Regelung nach gewichteten Ge¬ sichtspunkten mit Hilfe von Fuzzygliedern zu ergänzen. Es ist auch ein neuronale Arbeitsweise denkbar, die selbst¬ lernend ausgeführt ist.

Zur Vervollständigung werden nachfolgend alle in den Fi¬ guren verwendeten Bezugεzeichen mit Erläuterungen aufge¬ führt .

1 Anordnung

3a, 3b ersteε und zweiteε Drehεtromnetz

5a, 5b Stromrichter

7 Gleichεtromleitung

9a, 9b Steuereinrichtung

11a, 11b, 11c, lld Regeleinrichtung α, αa, αb,αi biε an Steuerwinkel

A Arbeitεpunkt

Ua, Üb Spannungεmeßwert ^■ la, Ib Strommeßwert

Pa, Pb gemeεεene Leiεtung P vorgegebene zu übertragende Leistung

ΔAU, ΔAI, Δu bis Δn,

ΔiK, Δ7, ΔAal bis ΔAan, Regelabweichungen

ΔAbi, ΔAbx, ΔAUb, ΔAIb,

ΔAUa, ΔAIa, ΔAbl bis ΔAbn

Arbeitεpunktεpannung

Arbeitspunktström

Wechεelspannungsmeßwert

Wechεelεtrommeßwert

LöschwinkelSollwert

Ist-Löschwinkel feste Arbeitpunktspannung fester Arbeitspunktεtrom

Korrekturwert

Leiεtungεregier

Funktionεgeber für Löεchwinkel- zweig (7)

Funktionεgeber

Dividierer

Vergleicher

MIN4 Minimumglied, -auεwahl

Strategieglieder, Funktionεgeber

Überεtromregier

Funktionεglied

Aktivierungεeinrichtung

Summierer

I-Regler

Multiplizierer

Begrenzer vorgebbare Grenzen

I-Glied

P-Glied T-Glied

Summierglied

Index 1 biε n 1 biε ^~~~ Index i, u biε k Index mit Bezug auf konkrete

Meßgröße