SE520838C2 - Anläggning för överföring av elektrisk effekt försedd med frånskiljare bestående av antiparallelt kopplade styrbara krafthalvledarelement - Google Patents

Description

25 30 35 - . . . I 52-0 838 2 I bifogade fig 1 och 2 illustreras schematiskt en anläggning av inledningsvis definierat slag, vilken uppvisar en VSC (Voltage Source Converter)-strömriktare, vilken här utgörs av en s.k. 6- pulsbrygga med tre fasben 1-3, vardera bestående av två serie- kopplade strömventiler 4-9, som i sin tur är bildade av ett släck- bart, första krafthalvledarelement 10 och ett antiparallellt därmed kopplat likriktarorgan 11 i form av en s.k. frihjulsdiod. l praktiken innefattar varje ventil ett förhållandevis stort antal seriekopplade släckbara krafthalvledarelement och frihjulsdioder för att göra det möjligt för ventilen att uppta de höga spänningar den måste uppta i blockerat tillstànd. Mittpunkterna mellan de båda venti- lerna hos respektive fasben är vid ett fasuttag 12 anslutna via en fasreaktor 13 till varsin fas hos ett trefas-växelspänningsnät 14.

Fasbenen är vid sina ytterändar anslutna till varsin polledare 15, 16 hos ett likspänningsnät 17, vars spänning definieras genom två seriekopplade kondensatorer 18, 19 med jordad mittpunkt 20.

De släckbara krafthalvledarelementen 10 styrs på i sig känt sätt via en styrinrättning 21 enligt ett bestämt pulsbreddsmodule- ringsmönster (PWM) för att använda likspänningen över DC-kon- densatorerna 18, 19 till att på fasuttaget 12 alstra en spänning, vars grundtonskomponent utgör en växelspänning med önskad amplitud, frekvens och fasläge. Därvid är switchfrekvensen hos krafthalvledarelementen 10 vanligtvis 1-3 kHz, men frekvensen hos växelspänningen blir 50 eller 60 Hz. Anläggningen uppvisar vidare en brytare 33 anordnad att sluta respektive öppna förbin- delsen mellan växelspänningsnätet och strömriktaren, och vilken sluts vid spänningssättning av strömriktaren efter driftsavbrott.

Principen för en just beskriven, tidigare känd VSC-strömriktare förutsätter att likspänningen är högre än växelspänningens topp- värde, det vill säga att de antiparallellt kopplade dioderna 11 är backspända när strömriktaren är blockerad. Vid ett jordfel på likspänningsidan, vilket schematiskt antydes vid 22, innebär detta att dioderna 11 kommer att utsättas för en kortslut- ningsström som har ett toppvärde som är cirka 2,5 gånger en symmetrisk kortslutningström till dess att bakomliggande brytare 10 15 20 25 30 35 ., M;- 520 838 3 33 har öppnat, vilket är först efter 2-3 perioder. Blockeringen av 6-pulsbryggan förhindrar inte felströmmen, som schematiskt an- tydes vid 23. I praktiken innebär detta att användarna kräver att dioderna skall klara nämnd ström därigenom under betydligt längre tid, kanhända i 12-20 perioder, för att tillräcklig säker- hetsmarginal skall finnas, vilket innebär att orimliga krav ställs på dioderna, som måste kraftigt överdimensioneras för att klara detta och därigenom blir mycket kostsamma.

Ett annat problem som en strömriktare av detta slag är behäftad med har med själva spänningsättningen av strömriktaren efter driftsavbrott att göra. När växelspänningsbrytaren i ett sådant fall sluts laddas DC-kondensatorerna 18, 19 via dioderna 11 i venti- lerna. Den energi som finns upplagrad i fasreaktorn 13 när kon- densatorerna är uppladdade kommer att höja likspänningen yt- terligare, i värsta fall till en dubblering av likspänningen. Detta problem kan lösas genom användande av s.k. inkopplingsmot- stånd, men den lösningen är kostsam och det vore även önskvärt att förbättra dess resultat.

I fig 2 visas hur en s.k. snabbfrånskiljare 24 är anordnad mellan likspänningsnätet 17 och strömriktaren hos respektive polledare. l detta fall är likspänningsnätet av s.k. maskad typ med ett sys- tem av flera stationer med strömriktare parallellkopplat anslutna till likspänningsnätet. Snabbfrånskiljaren 24 är bildad av ett släckbart krafthalvledarelement 25 och en antiparallellt därmed kopplad diod 26 och har som syfte att isolera strömriktaren vid ett jordfel på likspänningsnätet 17, så att strömriktaren inte matar en stor ström direkt in i ett sådant jordfel. Förekomsten av dioden 26 innebär dock att snabbfránskiljaren 24 kommer att leda i ena riktningen. Detta resulterar i sin tur i att om det blir ett schema- tiskt antytt jordfel 27 inom strömriktaren, då kommer samtliga strömriktare anslutna till systemet att mata in ström i felet, såsom indikeras genom de streckade linjerna 28-30. Är nu alla stationer i systemet, såsom är fallet i fig 2, försedda med egna snabbfrån- skiljare kommer dessa att öppna på grund av överströmmen och detta innebär att all överföring på likspänningsnätet kommer att 10 15 20 25 30 35 iszo ssàqq 4 stoppas på grund av ett internt fel i en av stationerna, vilket na- turligtvis är oacceptabelt.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- läggning för överföring av elektrisk effekt av inledningsvis defini- erat slag, vilken har en i vissa hänseenden förbättrad funktion i förhållande till tidigare kända sådana anläggningar och möjliggör ett reducerande av ovan diskuterade olägenheter.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att en sådan an- läggning tillhandahålls, hos vilken nämnda organ är bildat av ett styrbart, andra krafthalvledarelement med ledningsriktningen motsatt nämnda släckbara, första krafthalvledarelement.

Genom detta helt nya grepp att använda ett styrbart krafthalvle- darlelement som med ett släckbart halvledarelement antiparallell- kopplat organ uppnås en rad fördelar i olika driftsituationer. Ge- nom anordnandet av det styrbara, andra krafthalvledarelementet ökas flexibiliteten avsevärt, då det blir möjligt att utforma den av de båda krafthalvledarelementen bildade enheten att vid applice- rande av en spänning över den i det släckbara krafthalvledarele- mentets spärriktning antingen spärra eller leda genom att styra det andra krafthalvledarelementet att leda. Således kan en opti- mal anpassning till rådande driftsituationer uppnås.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken är ap- plicerbar på en anläggning innefattande en VSC-strömriktare för omvandling av likspänning till växelspänning eller likspänning och vice versa och vilken uppvisar åtminstone ett fasben med två seriekopplade strömventiler, samt varvid en punkt på fasbenet mellan nämnda ventiler är avsedd att anslutas till en fas hos ett lik- eller växelspänningsnät och fasbenets motsatta ändar är av- sedda att anslutas till varsín polledare hos ett likspänningsnät, är ventilerna bildade av åtminstone ett nämnt första krafthalvleda- relement och ett antiparallellt därmed kopplat nämnt andra 10 20 25 30 35 ~ 520 838 5 krafthalvledarelement. Detta innebär att i ovan diskuterade fall av ett jordfel på likspänningsidan kan kortslutningsströmmen genom strömriktaren till jordfelet elimineras mycket snabbt genom att styra det andra krafthalvledarelementet på motsvarande sätt.

Detta innebär att i det fall detta krafthalvledarelement utgörs av ett styrbart, men inte släckbart, krafthalvledarelement, såsom en tyristor, kommer strömmen att kunna elimineras efter maximalt en period, vilket kan jämföras med den betydligt längre tid det tar innan den bakomliggande så kallade back-up-brytaren mellan strömriktaren och växelspänningsnätet kan bryta. Skulle det andra krafthalvledarelementet vara av släckbar typ skulle fel- strömmen kunna elimineras ännu snabbare.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är hos ventilen det andra krafthalvledarelementet styrbart men ej släck- bart. En fördel med att använda sig av ett sådant krafthalvleda- relement, vilket företrädesvis är en tyristor, i ventilen i stället för ett släckbart krafthalvledarelement, är att det inte krävs att den energi som finns upplagrad i induktanser, växelspänningsreak- torn eller transformatorer, måste tas om hand med exempelvis kondensatorer mellan faserna.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anläggningen en switch med det första och andra krafthalvledarelementet, och det släckbara, första krafthalvleda- relementet är anordnat att vid anläggningens normala funktion leda ström och att styras att släckas för att uppfylla en frånskil- jarfunktion när önskemål därom uppstår. Genom att på detta sätt anordna ett släckbart, första krafthalvledarelement och ett anti- parallellt därmed kopplat styrbart, andra krafthalvledarelement för uppfyllande av nämnda frånskiljarfunktion kommer ovan dis- kuterade problem vid jordfel inom en strömriktare att kunna lösas på ett tillfredsställande sätt. Således kan det genom att styra det andra krafthalvledarelementet till blockerande tillstånd samtidigt som det första krafthalvledarelementet släcks hos frånskiljaren anordnad vid strömriktaren i fråga förhindras att det från likspän- ningsnätet och från eventuella andra strömriktare matas in ström 10 15 20 25 30 35 520 838 6 i felet i fråga. Detta medför i sin tur att det inte kommer att upp- träda någon överström i de andra strömriktarna i fallet av ett flerstationsystem, så att överföringen på nätet i övrigt kommer att kunna fortgå som om felet inte uppträtt. Detta utgör även andra föredragna utföringsformer av uppfinningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är det andra'krafthalvledarelementet släckbart, vilket är speciellt fördel- aktigt i fallet då de båda krafthalvledarelementen ingår i en switch med en frånskiljarfunktion, eftersom frånskiljningen då kan ske mycket snabbt och de båda släckbara komponenterna då kan styras med samma order, vilket förenklar styrelektroniken.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen, vilken avser en anläggning enligt ovan med en VSC-strömriktare, inne- fattar anläggningen en inrättning anordnad att vid spänningsätt- ning av strömriktaren styra tändningen hos det andra krafthalvle- darelementet och därigenom spänningstillväxten på likspän- ningsidan. Härigenom blir det möjligt att klara sig utan ovan- nämnda inkopplingsmotstånd, och spänningstillväxten kan ändå hållas inom acceptabla gränser genom styrande av tändningen, d v s styrvinkeln hos krafthalvledarelementet, företrädesvis en ty- ristor.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är det styrbara, andra krafthalvledarelementet anordnat att vid normal funktion hos anläggningen vara i det ledande tillståndet. Detta betyder att detta krafthalvledarelement vid normal funktion av anläggningen i princip kommer att fungera som en frihjulsdiod, men när så önskas kan det styras till det blockerande tillståndet, d v s så att det inte leder i framspänningsriktnlngen, för undvi- kande av de nackdelar som en likriktardiod uppvisar i sådana felstillstånd.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anläggningen en inrättning anordnad att styra det första och andra krafthalvledarelementet via en gemensam ljusledare 10 20 25 30 35 .. .i- 520 ' 7 genom kodade order. Härigenom uppnås en i stort sett oföränd- rad komplikationsgrad hos anläggningens styrelektronik, trots att hos en sådan anläggning det andra krafthalvledarelementet är styrbart i motsats till vad som är fallet hos tidigare kända sådana anläggningar.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är det styr- bara, andra krafthalvledarelementet en tyristor, varvid denna kan vara av enbart styrbar, och ej släckbar typ, eller en släckbar GTO. Det andra krafthalvledarelementet skulle även kunna utgö- ras av en lGBT.

Företrädesvis utgörs det första krafthalvledarelementet av en lGBT.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Härnedan beskrivs en såsom exempel anförd föredragen utfö- ringsform av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: Fig1och2 är förenklade kopplingsscheman illustrerande an- läggningar för överföring av elektrisk effekt enligt tidigare känd teknik, och Fig 3 är en dessa vyer motsvarande vy av en anläggning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Den allmänna uppbyggnaden av den i fig 3 visade föredragna utföringsformen av uppfinningen framgår av beskrivningen ovan 10 20 25 30 35 »szo sas 5 8 av de tidigare kända anläggningarna, och delar därav som åter- finns hos anläggningen enligt den föredragna utföringsformen av uppfinningen och har samma funktion som hos de tidigare kända anläggningarna är i fig 3 försedda med samma hänvisningsbe- teckningar och kommer inte vidare att beskrivas här.

Den uppfinningsenliga anläggningen uppvisar två betydande skillnader i förhållande till de tidigare kända anläggningarna, var- vid den första utgörs av att de andra krafthalvledarelementen, som hos de tidigare kända anläggningarna varit bildade av lik- riktardioder, här är ersatta av ett styrbart krafthalvledarelement 31, som i föreliggande fall utgörs av en tyristor. Tyristorn 31 är kopplad antiparallellt med ventilens släckbara krafthalvledarele- ment 10, som företrädesvis är en lGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor). Det släckbara, första krafthalvledarelementet 10 och det styrbara, andra krafthalvledarelementet 31 styrs företrädesvis av en och samma styrinrättning 21, varvid detta kan ske genom en gemensam ljusledare mellan styrinrättningen 21 på marknivå och ventilen på högspänningspotential, ehuru i figuren i förtydli- gande syfte två olika streckade linjer är inritade till styret hos re- spektive krafthalvledarelement. Naturligtvis styrs alla krafthalvle- darelement hos de olika ventilerna via styrinrättningen 21 på motsvarande sätt som i förenklande syfte endast är utritat för ventilen 4. Vidare är symbolen för varje krafthalvledarelement i ventilerna att se som en sammanfattande symbol för ett eventu- ellt stort antal seriekopplade sådana krafthalvledarelement.

Vid normal funktion hos strömriktaren kommer tyristorerna 31 att vara tända, d v s i ledningstillstàndet, så att de fungerar som en likriktningsdiod, d v s möjliggör flytande av en ström därigenom när de är framspända, men spärrar när de är bakspända. Skulle emellertid ett jordfel uppträda pà likspänningsnätet styr styrin- rättningen 21 tyristorerna att släckas vid nollpunktsgenomgáng, så att strömmen elimineras efter maximalt en period. Detta inne- bär att värmeutvecklingen hos tyristorn 31 kommer att kunna hållas nere på en acceptabelt låg nivå och skador på utrust- ningen kommer att kunna undvikas utan att några komponenter 10 15 20 25 30 35 »szo sås ifiihš" 9 överdimensioneras. Här kommer således det första krafthalvleda- relementet att behöva konstrueras för spärrspänning, vilket inte varit nödvändigt vid tidigare kända anläggningar med frihjulsdio- der som andra krafthalvledarelement När strömriktaren skall spänningssättas efter driftsavbrott genom slutande av brytaren 21 för anslutning till växelspänningsnätet 14 kan spänningstillväxten som sker genom laddande av likspän- ningskondensatorerna 18, 19 genom tyristorerna 31 att kunna styras att ske pà ett lugnt kontrollerat sätt genom att styrinrätt- ningen 21 är anordnad att reglera styrvinkeln hos tyristorerna 31.

Således behövs inte några speciella arrangemang med inkopp- lingsmotstånd och dylikt. Möjligheten att styra spänningstillväx- ten genom reglerande av styrvinkeln medför dessutom att spän- ningsprovning av likspånningsställverk och-linje kan genomföras genom en manuellt styrd spänningstillväxt (Open Line Test).

En annan skillnad mellan anläggningen enligt fig 3 och tidigare kända anläggningar av detta slag består i att hos den switch 24 som skall uppfylla en frånskiljarfunktion är likriktardioden ersatt med ett släckbart, andra krafthalvledarelement 32, vilket med fördel är en lGBT, men även skulle kunna vara en GTO.

Krafthalvledarelementen 25 och 32 styrs av styrinrättningen 21, varvid de företrädesvis styrs simultant med samma order genom en och samma ledning, även om två streckade linjer är inritade från styrinrättningen 21 till dessa i figuren i illustrerande syfte.

Vid normal drift hos anläggningen är switchen eller frånskiljaren 25 till, d v s de båda släckbara Krafthalvledarelementen är tända, så att ström kan flyta därigenom obehindrat från likspännings- nätet till växelspänningsnätet och vice versa. Skulle emellertid ett fel uppstå, exempelvis ett jordfel på likspänningsnätet, då styrs snabbfrånskiljaren att öppna genom sändande av släck- ningsorder till de båda krafthalvledarelementen 25 och 32. I det fall felet ligger inom strömriktaren kan på detta sätt genom släckande av krafthalvledarelementet 32 tillses att inte någon felström matas in från likspänningsnätet till felet, så att kompo- nenter hos strömriktaren skyddas, men det uppnås även att inga 10 20 25 30 ., ..- 520 838 1G överströmmar uppkommer till följd av felet hos andra strömriktare hos andra stationer anslutna till samma likspänningsnät i fallet av ett flerstationsystem med ett så kallat maskat likspänningsnät, såsom illustreras i fig 2. Sådana överströmmar skulle nämligen innebära att de snabbfrånskiljare som är förbundna med dessa stationer även skulle koppla bort dessa, så att all överföring på likspänningsnåtet skulle stoppas. Detta undviks emellertid genom att det andra krafthalvledarelementet 32 hos just den strömrik- tare som har blivit drabbad av ett fel släcks.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till vad som beskrivits ovan, utan en mängd möjligheter till modifikatio- ner därav torde vara uppenbara för en fackman på området, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke, sådan denna definieras i bifogade patentkrav.

Det ligger naturligtvis helt inom uppfinningens ram att vid en an- läggning av den typ som visas i fig 3 ha dioderna kvar i venti- lerna men anordna ett styrbart krafthalvledarelement i frånskil- jarna eller tvärtom om så önskas, fastän det i de allra flesta fall torde vara fördelaktigast att anordna styrbara krafthalvledarele- ment på båda ställena. En switch av det ovan definierade slaget skulle kunna sättas in var som helst i en ledning avsedd för överföring av elektrisk effekt, och vad avser strömriktarfallet skulle strömriktaren kunna ha annan utformning, exempelvis vara av NPC-typ (Netural Point Clamped).

Claims (17)

1. 0 15 20 25 30 35 520 858 11 Patentkrav Anläggning för överföring av elektrisk effekt innefattande ett med en ledning (17, 18) seriekopplat släckbart krafthalvleda- relement (10, 25) och ett antiparallellt därmed kopplat organ (31, 32) med förmåga att intaga ett ledning av ström därige- nom blockerande tillstånd när en spänning är applicerad över krafthalvledarelementet (10, 25) i dettas ledningsrikt- ning och ett ström därigenom ledande tillstànd när en spän- ning är applicerad över krafthalvledarelementet i den mot- satta riktningen, varvid nämnda organ är bildat av ett styr- bart, andra krafthalvledarelement (31, 32) med ledningsrikt- ningen motsatt nämnda släckbara, första krafthalvledarele- ment, samt varvid den innefattar en switch med det första (25) och andra (32) krafthalvledarelementet, kännetecknad därav, att det släckbara, första krafthalvledarelementet är anordnat att vid anläggningens normala funktion leda ström och att styras att släckas för att uppfylla en frånskiljarfunk- tion när önskemål därom uppstår, att nämnda switch (24) är anordnad i ett nät för överföring av högspänd likström (HVDC) för säkerhetsfrånskiljning vid uppträdande av fel, att switchen (24) är anordnad i närheten av en strömriktare hos en station för omvandling av likspänning till växelspänning och vice versa, att den innefattar en inrättning (21) anordnad att styra en överföring av det andra krafthalvledarelementet (32) till blockerande tillstånd för förhindrande av matning av ström in mot strömriktaren vid önskemål därom, att anlägg- ningen innefattar åtminstone en strömriktare parallellkopplad med nämnda strömriktare, och att strömriktarna tillhör olika stationer hos ett flerstationssystem med maskade likspänningsnät.

2. Anläggning enligt krav 1, kännetecknad därav, att inrättningen (21) är anordnad att åstadkomma nämnda tillståndsöverföring som svar på uppträdande av fel vid strömriktaren. 10 15 20 25 30 35 520 838 12

3.'Anläggning enligt krav 1 eller 2, varvid anläggningen innefat- tar en VSC-strömriktare för omvandling av likspänning till väx- elspänning eller likspänning och vice versa och vilken uppvi- sar åtminstone ett fasben (1-3) med två seriekopplade ström- ventiler (4-9), samt varvid en punkt på fasbenet mellan nämnda ventiler är avsedd att anslutas till en fas hos ett lik- eller växelspänningsnät (14) och fasbenets motsatta ändar är avsedda att anslutas till varsin polledare hos ett likspän- ningsnät (17), kännetecknad därav, att ventilerna är bildade av åtminstone ett nämnt första krafthalvledarelement (10) och ett antiparallellt därmed kopplat nämnt andra krafthalvledar- element (31).

4. Anläggning enligt krav 3, kännetecknad därav, att strömrikta- ren är en två-nivåströmriktare.

5. Anläggning enligt krav 3, kännetecknad därav, att strömrikta- ren är en NPC-strömriktare.

6. Anläggning enligt något av kraven 3-5, kännetecknad därav, att det andra krafthalvledarelementet (31) är styrbart men ej släckbart. '

7. Anläggning enligt något av kraven 1-6, kännetecknad därav, att det andra krafthalvledarelementet (32) är släckbart.

8. Anläggning enligt något av kraven 3-5, kännetecknad därav, att den innefattar en inrättning (21) anordnad att vid spän- ningsättning av strömriktaren styra tändningen hos det andra krafthalvledarelementet (31) och därigenom spän- ningstillväxten på likspänningssidan.

9. Anläggning enligt något av kraven 1-8, kännetecknad därav, att det styrbara, andra krafthalvledarelementet (31, 32) är anordnat att vid normal funktion hos anläggningen vara i det ledande tillståndet. 10 15 20 25 30 35 fÅl*f.s2o ass 13

10. Anläggning enligt något av kraven 3-5, kännetecknad därav,

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17. att den innefattar en inrättning (21) anordnad att styra det första (10) och andra krafthaivledarelementet (31) via en gemensam ljusledare genom kodade order. Anläggning enligt något av kraven 1, 2 och 7, kännetecknad därav, att det innefattar en inrättning (21) anordnad att styra det släckbara första krafthaivledarelementet (25) och det släckbara andra krafthaivledarelementet (32) samtidigt ge- nom en och samma order. Anläggning enligt något av kraven 1-11, kännetec nad därav, att den innefattar flera seriekopplade släckbara, första krafthalvledarelement (10, 25) och/eller flera antipa- rallellt därmed seriekopplade styrbara, andra krafthaivleda- relement (31, 32). Anläggning enligt något av kraven 1-12, kännetecknad därav, att det styrbara i andra krafthaivledarelementet (31, 32) är en tyristor. Anläggning enligt något av kraven 1-5 eller 7-12, känneteck- nad därav, att det styrbara, andra halvledarelementet (32) är en IGBT. Anläggning enligt något av kraven 1-5 eller 7-13, känneteck- nad därav, att det styrbara, andra halvledarelementet (32) är en släckbar tyristor (GTO). Anläggning enligt något av kraven 1-15, kännetecknad därav, att det första krafthaivledarelementet (10, 25) är en IGBT. Anläggning enligt något av kraven 1-15, kännetecknad därav, att det första krafthaivledarelementet (10, 25) är en släckbar tyristor (GTO).