CN113690919B - 具有电网换相的变流器的变流器装置和用于启动其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变流器装置(1)，其包括电网换相的变流器(2)，该变流器具有交流电压接头，该交流电压接头能够经由至少一个相线与交流电网连接，其中，该变流器装置还包括至少一个开关模块支路(31)，该开关模块支路串联地布置在至少一个相线中，并且该开关模块支路包括开关模块(341，342)的串联电路，在开关模块的接头处分别能够生成其总和为支路电压的双极性电压。本发明的特征在于，以与开关模块支路并联连接的方式布置桥接支路(33)，在该桥接支路中布置有至少一个开关设备(37)，其中该开关设备包括反并联连接的可接通的半导体开关(36，42)。本发明还涉及一种用于启动变流器装置的方法。

Description

具有电网换相的变流器的变流器装置和用于启动其的方法
技术领域
本发明涉及一种变流器装置，该变流器装置包括电网换相的变流器，该电网换相的变流器具有交流电压接头，该交流电压接头能够经由至少一个相线与交流电网连接，其中，该变流器装置还包括至少一个开关模块支路，该开关模块支路串联地布置在至少一个相线中，并且该开关模块支路包括开关模块的串联电路，在开关模块的接头处分别能够生成其总和为支路电压的双极性电压。
背景技术
从现有技术中已知电网换相的变流器。电网换相的变流器的特征尤其在于，通过所连接的交流电网引起变流器阀的切换(也称为换向)。在电网换相的变流器中所使用的半导体开关通常是无源元件(诸如二极管)或可接通但不可主动关断的半导体开关(例如晶闸管)。电网换相的变流器的优点主要在于其鲁棒性、可靠性、处理以及控制中的相对简单性以及设计为针对特别高的电压的电网换相的变流器的可能性。
在某些应用中，将电网换相的变流器与性能差或不稳定的交流电网结合使用。在这些应用中，可能出现这样的情况：由于瞬态过程，由交流电网提供的交流电压(或电压时间面积)小于对于变流器换向所需的交流电压。这种瞬态过程例如可以是交流电压滤波器的切换或从交流电网汲取的电功率的变化(所谓的电压骤降)。这可能导致换向故障和运行中的其他干扰，或者甚至导致运行中断。与电网换相的变流器相关的另外的挑战是其高无功功率需求。通常需要大约有功功率的一半的基波无功功率补偿。这也不利地增加了总体设备面积。
为了在性能差的电网的情况下改善电压稳定性，可以将电网换相的变流器与并联补偿相结合。在交流电网性能非常差的情况下，可以附加地考虑使用旋转移相器。
从Bakas等人的文章“Hybrid Topologies for Series and Shunt Compensationof the Line-Commutated Converter(用于电网换相的换流器的串联和并联补偿的混合拓扑)，IEEE 2016”中已知一种具有电网换相的变流器和可控串联电容的装置。在此，串联电容通过串联连接到相线中的全桥开关模块来实现。在已知的装置中，特别设置了对全桥开关模块的“无源”使用，其中这些全桥开关模块仅用于引入基频电压。全桥开关模块的特征尤其在于，可以在其接头处生成双极性电压，即正开关模块电压和负开关模块电压。开关模块电压的大小基本上对应于在全桥开关模块的能量存储器上形成的能量存储器电压。借助可控串联电容可以有利地补偿变流器与连接点之间的电网阻抗。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提出尽可能高效并且可靠的一类变流器装置。
根据本发明，该技术问题在这种类型的变流器装置中通过如下来解决：以与开关模块支路并联连接的方式布置桥接支路，在桥接支路中布置有至少一个开关设备，其中开关设备包括反并联连接的可接通的半导体开关。特别地，可接通的半导体开关是可控的，即，例如能够借助合适的控制装置来接通，因此可以主动地通过在相应的半导体开关处的措施将可接通的半导体开关转换成导通状态。如果在存在明显的正向导通方向或截止方向的情况下，半导体开关在相应的半导体开关对中相对于彼此相反地定向，则半导体开关反并联连接。
本发明的一个优点在于，通过开关设备的保护半导体允许将开关模块的尺寸设计为用于较低的电压范围，该较低的电压范围通常通过稳态运行来预先给定。由此可以避免开关模块的尺寸过大以在故障情况下实现足够高的反向电压。就有效性和成本而言，这是必要的，因为大的串联开关数量、即开关模块支路中所使用的开关模块的数量意味着高传输损耗和高投资。
本发明的另外的优点在于，开关设备能够用于开关模块的能量存储器的受控的预充电。即，开关模块的投入使用的前提是对能量存储器进行充电。借助桥接支路中的开关设备，能够从交流电网为能量存储器充电。以该方式可以省去提供单独的预充电装置。
借助桥接支路中的开关设备，可以在不中断负载电流的条件下桥接开关模块支路。由此得到了对于运行变流器装置的优点，例如用于独立于主传输地执行维护工作，以及根据另外的运行要求灵活地接通和关断该装置。
对于桥接支路，适合使用具有比可能在开关模块中所使用的可关断的半导体开关(例如，诸如IGBT等的晶体管)的载流能力更高的载流能力的半导体开关。出现的高短路电流可以利用快速电流换向到桥接支路来克制。
根据一个或多个开关模块支路的两个外部接头处测得的电压(这些电压可以用U1和U2来标记)的差，可以间接地监视开关模块的能量存储器的充电状态。在对开关模块进行预充电时这是有利的，因为能量存储器(通常是电容器)的电压构建直接通过作为U1与U2之差的测得的总电压(支路电压)得出。这种方法比基于测量流过开关模块支路的(相对较小的)电流的方法更为准确。可以将差U1-U2用作输入值，以在过电压时进行协调。在稳态运行中，得到使用测得的电压U1和U2作为输入参量来调节开关模块支路的运行点的可能性。
如果变流器与三相或多相交流电网连接，则可能有利的是，对于电网相的每一相分别提供具有开关模块支路和桥接支路的并联支路的布置。对应地，变流器具有n相交流电压接头，该n相交流电压接头能够经由n个相线与交流电网连接，其中，在每个相线中串联布置有开关模块支路，其中，在每个开关模块支路中布置有开关模块的串联电路，并且与开关模块支路中的每一个分别并联地布置有桥接支路，该桥接支路分别具有带有反并联的可接通的半导体开关的开关设备。
优选地，开关模块是全桥开关模块。然而，在此也可以想到另外的(部分从现有技术中已知的)变形，诸如还有以单个或多个并联连接形式的半桥开关模块。此外，从现有技术还已知另外的根据应用情况而适合的双极性开关模块，特别是那些能够在其接头处生成多于一个正电压和/或多于一个负电压的双极性开关模块。
本发明的特别可靠的变形给出，电网换相的变流器是基于晶闸管的变流器。基于晶闸管的变流器可以(例如在6脉冲的配置中)具有带有六个相支路的三相桥电路。在此，每个相支路在变流器的直流电压极中的一个与交流电压接头中的一个之间延伸。晶闸管的串联电路布置在每个相支路中。相支路中的晶闸管的数量由变流器的所期望的设计来确定。特别地，可以独立于对变流器的功率半导体开关的选择，将变流器装置设计到大于100kV、优选地大于500kV的电压。在HVDC(高压直流输电)范围内应用电网换相的变流器的情况下，直流侧上串联连接的两个6脉冲变换器优选地以总共12脉冲的配置来运行。以下针对6脉冲变换器所描述的特性也始终可以类似地转用到12脉冲变换器。
根据本发明的一种实施方式，以与开关模块支路和与桥接支路并联连接的方式布置机械旁路开关。
根据本发明的一种实施方式，在开关模块支路中布置有第一电感。在故障情况下，第一电感有利地将电流上升限制到对于保护开关模块所允许的上升速率/陡度。上升速率的上限由保护系统所需的、直至将故障电流换向到桥接支路中为止的持续时间来定义。
根据本发明的另外的实施方式，在桥接支路中布置有第二电感。第二电感与第一电感一起将开关模块支路与桥接支路之间的换向过程中的电流上升限制到对于开关设备的半导体所允许的最大值。由于第一电感既抵抗故障电流的上升，又抵抗换向到桥接支路期间的电流上升，因此其可以用于在确定第一电感和第二电感时的优化。第一和/或第二电感例如可以被实现为至少一个适合的扼流圈。
适当地，对于桥接支路中的反并联的半导体开关的数量Ah成立：Ah<＝As<＝3*Ah，其中As表示相关联的开关模块支路中的开关模块的数量。利用该数量，一方面避免了尺寸过大，并且另一方面提供了可靠的保护。
合适地，变流器装置包括中央控制单元，该中央控制单元被设计为在存在预定的条件时接通桥接支路中的半导体开关。因此，开关模块支路或开关模块的桥接保护通过所定义的电压阈值来预先给定。在达到电压阈值的情况下，借助中央控制单元触发开关设备的半导体，并且同时适合地截止/封锁开关模块。
根据本发明的一种实施方式，桥接支路中的半导体开关被设计为用于在存在预定的条件时自动或独立地接通、即在没有与中央控制单元进行通信的条件下接通。桥接支路中的反并联的半导体开关的串联开关数量相对于开关模块支路中的开关模块的数量的选择可以被协调为使得集成到开关设备中的自动触发单元在达到最大允许的所施加的开关模块电压的情况下触发或者引起对开关设备的半导体开关的接通。该变形的优点是，即使没有中央控制单元，半导体开关的所集成的触发也确保了对开关模块的保护。针对该设计的可能的标准是，最大允许的总电压(支路电压)导致桥接支路中的半导体开关达到BOD阈值(“二极管突破(Break Over Diode)”阈值)。
优选地，变流器装置还包括布置在至少一个开关模块支路与变流器之间的可控变压器。在本发明的范围内，可控变压器尤其是具有可控变压比的变压器。借助可控变压器，可以有利地补偿由施加在开关模块支路上的附加的串联电压所引起的电压幅度变化(特别是增加)。以该方式可以防止变流器或其阀(例如晶闸管阀)的附加的电压负载。此外，变流器工作点(直流电压、直流电流、触发角、重叠角)可以有利地保持独立于开关模块的操作。此外，通过使用可控变压器，可以实现以开关模块支路来扩展现有的电网换相的变流器(“升级”)。
此外，本发明涉及一种用于起动或者用于启动根据本发明的变流器装置的方法。通常在例如由于内部或外部的故障所导致的变流器装置的运行中断之后，执行对变流器装置的起动或者启动。
本发明要解决的技术问题是，提出一种方法，该方法能够实现对变流器装置的尽可能可靠的起动。
根据本发明，该技术问题在这类方法中通过以下来解决：截止开关支路中的开关模块；以预定的延迟接通桥接支路中的半导体开关；并且通过对半导体开关的延迟接通，将支路电流从开关支路换向到桥接支路。
适当地，在电流过零之后在所定义的时间点接通桥接支路中的半导体开关，其中，所定义的时间点的特征在于电流过零与半导体开关的接通之间的延迟时间；依据电流大小选择延迟时间，其中将延迟时间选择为电流越大该延迟时间越小(在此延迟时间也可能为零)，通过控制半导体开关将支路电流从桥接支路换向到开关支路；在支路电流的电流过零之后，通过半导体开关的延迟接通，将支路电流从开关支路换向到桥接支路。
优选地，在此依据开关模块电压和支路电流的电流方向(独立地)切换开关模块，使得开关模块的能量存储器被充电到直至预先给定的电压水平。特别地，桥接支路中的半导体开关因此可以被用于对能量存储器进行预充电。该方法有利地即使在变流器装置已经处于运行中、即负载电流以通常的运行大小流动时，也能够实现对变流器装置或开关模块支路的起动。
优选地，利用接通桥接支路中的半导体开关，来断开以与桥接支路并联连接的方式布置的机械旁路开关，即，针对电流流动进行截止，使得支路电流被换向到桥接支路。
可以如下地描述该方法的一种优选变形。在第一方法步骤中，借助机械旁路开关桥接开关模块支路，使得负载电流流过机械旁路开关。在第二方法步骤中，借助一个或多个合适的接通信号，接通借助桥接支路中的开关设备(例如反并联的晶闸管)的快速桥接。在第三方法步骤中，断开机械旁路开关；负载电流换向到桥接支路；在此，开关模块被封锁并且其能量存储器放电。在第四方法步骤中，中断到可接通的半导体开关的接通信号，使得这些可接通的半导体开关在电流过零时被关断或截止；负载电流换向到开关模块支路并为能量存储器(例如电容器)充电；充电过程的持续时间根据负载电流的大小以及电容的大小和能量存储器应充电到的所期望的目标电压的大小来确定。在预定的时间之后，再次接通桥接支路中的半导体开关，并且电流再次换向到桥接支路；对于被封锁的开关模块中断充电过程。如果适合地在所定义的时间之后开关模块没有向中央控制单元进行报告，则可以假定过去没有充分地进行预充电；在这种情况下，可以重复上述方法步骤。在此，可以随着每次重复而减少桥接支路中的半导体开关的封锁时间，例如减少到一半。适当地，在达到足够高的能量存储电压和/或反馈了足够数量的开关模块之后，过渡到开关模块的时钟触发的运行，在时钟触发的运行中，借助对开关模块的半导体开关的切换，生成双极性电压或关断状态。时钟触发的运行的流程可以如下进行。在桥接支路中的半导体开关接通时，将所有的开关模块转换成关断状态。桥接支路中的半导体开关被转换成截止状态(在没有接通脉冲的情况下，半导体开关在电流过零时截止)。通过将各个开关模块(或其半导体开关)切换到“正输出电压”或“负输出电压”状态，能量存储器达到对于正常运行所需的电压范围。在有足够数量的开关模块可用于正常运行之后，过渡到正常运行，并且实施开关模块的原本功能。
预充电的另外的实施方式在于，代替第四方法步骤，以相角变化来控制桥接支路中的半导体开关，即，使用可接通的半导体开关(例如晶闸管)的触发延迟角，使得仅将电流半振荡的一(小)部分换向到开关模块，并且开关模块的能量存储器被充电。该变形尤其在大充电电流的情况下是有利的。为此，使用小的触发延迟角，使得电流从电流过零开始首先流过开关模块并且以仅延迟了几度的特性换向到开关模块。由此实现了以所定义的充电电流对开关模块进行充电。电流有效值可以通过触发延迟角来控制。只要负载的工作原理允许，负载电流就可以保持为小，例如方式是，桥接支路中的半导体开关在电网上处于空载并且因此仅空载电流流动。最低负载例如由具有所连接的HVDC的晶闸管变流器来确定，除了空载下的HVDC变流器变压器之外，被封锁的晶闸管阀的布线的充电电流也为该最低负载作出贡献。
附图说明
下面根据图1至图4的实施例进一步阐述本发明。
图1以示意图示出了根据本发明的变流器装置的实施例；
图2以示意图示出了用于根据本发明的变流器装置的并联支路的布置的实施例；
图3以示意图示出了针对开关模块支路的支路电流和支路电压的第一矢量图；
图4以示意图示出了针对开关模块支路的支路电流和支路电压的第二矢量图。
具体实施方式
图1中示出了变流器装置1，该变流器装置在电网连接点4处连接到三相交流电网5。变流器装置1包括电网换相的变流器2。变流器2具有直流电压侧，该直流电压侧与直流电网或直流导线3连接。变流器2的交流电压侧布置有包括步进开关的可控变压器26。变流器2包括六个变流器臂或变流器阀6-11，其分别在变流器2的直流电压极12或13中的一个与三个交流电压接头14-16中的一个之间延伸。晶闸管17的串联电路布置在变流器臂6-11的每一个中。变流器2借助交流电压接头14-16经由三个相线21-23与交流电网5连接。
变流器装置1还包括并联支路18的第一布置中的第一开关模块支路、并联支路19的第二布置中的第二开关模块支路以及并联支路20的第三布置中的第三开关模块支路。第一支路布置18串联地引入到第一相线21中，第二支路布置19串联地引入到第二相线22中，并且第三支路布置20串联地引入到第三相线23中。三个相线21-23在到变压器26的连接点25与电网连接点4之间延伸。在图1中所示的示例中，三个支路布置18-20以相同的方式构建，然而通常不必是这种情况。对于并联支路18-20的布置的结构和开关模块支路的结构，在下面的图2中更详细地讨论。
在开关支路上下降的电压被标记为Uc。变流器侧的线对地电压被标记为U1，电网侧的线对地电压对应地被标记为Unet。支路18-20用于补偿电网阻抗Xnetz和/或变流器侧阻抗Xc，以及用于稳定连接点25处的连接电压Uprim，以确保变流器装置1以及特别是变流器2的稳定且可靠的运行。为此，变流器装置1具有中央控制单元24，该中央控制单元被设计为用于调节对开关模块支路的控制，或者用于发起对那里所使用的半导体开关的控制。借助可控变压器26，将连接电压Uprim转换成输出电压Usec，使得该输出电压的幅度被减小。
图2中示出了并联支路的布置，该并联支路能够被用作图1的变流器装置中的支路18-20中的一个或多个。以与开关模块支路31并联连接的方式布置桥接支路33，并且以另外的并联连接的方式布置旁路开关35。开关模块支路31包括开关模块341、342的串联电路34，开关模块为从现有技术中已知的全桥开关模块(附图上仅示出两个开关模块341、342，然而其数量原则上可以是任意的并且与相应的应用匹配)。每个全桥开关模块包括以存储电容器形式的自身的能量存储器38，以及以(例如)IGBT形式的可接通并且可关断的半导体开关41。在此，给每个IGBT反并联连接续流二极管。在每个全桥开关模块的连接端子处能够生成双极性电压。此外，在开关模块支路31中布置有第一电感40。
桥接支路33包括开关设备37。开关设备37具有晶闸管形式的第一可接通半导体开关36以及同样晶闸管形式的第二可接通半导体开关42。两个半导体开关36和42的正向导通方向相反。在这种意义上，半导体开关36和42反并联连接。桥接支路33还包括第二电感39。该布置的另外的电感利用附图标记32来标记。电压U1和U2之间的差对应于在开关模块支路上形成的支路电压。
图3中示出了矢量图50。矢量图50是针对变流器装置的整流器运行情况的电压-电流图，该变流器装置例如对应于图1的变流器装置1。矢量图50中示出了在可控变压器(例如，图1的变压器26)的初级侧上的初级侧电压Uprim，以及在变压器的次级侧上的次级侧电压Usec。在此，初级侧电压Uprim对应于开关模块支路与变压器之间的连接点处的连接电压。可以看出，施加到开关模块支路的支路电压UFB相对于变压器初级侧上的初级侧电流iprim相移了π/2。同时，初级侧电流iprim相对于连接至变流器装置的交流电网的电网电压Unet偏移了角度还可以看出，初级侧电压Uprim由电网电压Unet和支路电压UFB组成。次级侧电压Usec与初级侧电压Uprim同相，然而具有(借助变压器)减小的幅度。矢量图50还说明了，针对支路电压UFB的调节来选择支路电流iprim的参考系。在此，流过一个或多个开关模块支路的支路电流iprim对应于电网电流inet。在图3中所示的情况下，电网电压Unet比初级侧电压Uprim超前了角度/>
图4中示出了矢量图60。矢量图60是针对变流器装置的逆变器运行情况的电压-电流图，该变流器装置例如对应于图1的变流器装置1。矢量图60中示出了在可控变压器(例如，图1的变压器26)的初级侧上的初级侧电压Uprim，以及在变压器的次级侧上的次级侧电压Usec。在此，初级侧电压Uprim对应于开关模块支路与变压器之间的连接点处的连接电压。可以看出，施加到开关模块支路的支路电压UFB相对于变压器初级侧上的初级侧电流iprim相移了π/2。同时，初级侧电流iprim相对于连接至变流器装置的交流电网的电网电压Unet偏移了角度还可以看出，初级侧电压Uprim由电网电压Unet和支路电压UFB组成。次级侧电压Usec与初级侧电压Uprim同相，然而具有(借助变压器)减小的幅度。矢量图60还说明了，针对支路电压UFB的调节来选择支路电流iprim的参考系。在此，流过一个或多个开关模块支路的支路电流iprim对应于电网电流inet。在图4中所示的情况下，电网电压Unet比初级侧电压Uprim滞后了角度/>

Claims (14)

1.一种变流器装置(1)，所述变流器装置包括电网换相的变流器(2)，所述变流器具有交流电压接头(14-16)，所述交流电压接头能够经由至少一个相线(21-23)与交流电网(5)连接，其中，所述变流器装置还包括至少一个开关模块支路(31)，所述开关模块支路串联地布置在至少一个相线(21-23)中，并且所述开关模块支路包括开关模块(341，342)的串联电路，所述开关模块分别包括能量存储器并且在所述开关模块的接头(X1，X2)处分别能够生成其总和为支路电压(Ue)的双极性电压，
其特征在于，
以与开关模块支路(31)并联连接的方式布置桥接支路(33)，在所述桥接支路中布置有至少一个开关设备(37)，其中所述开关设备(37)包括反并联连接的可接通的半导体开关(36，42)，
其中开关设备能够用于开关模块的能量存储器的受控的预充电，其中借助可变化的触发延迟角来控制开关模块的能量存储器的充电。
2.根据权利要求1所述的变流器装置(1)，
其中，变流器(2)具有n相交流电压接头(14-16)，所述n相交流电压接头能够经由n个相线(21-23)与交流电网连接，其中，在每个相线中串联布置有开关模块支路(31)，其中，在每个开关模块支路(31)中布置有开关模块(341，342)的串联电路，并且与开关模块支路中的每一个分别并联地布置有桥接支路(33)，所述桥接支路分别具有带有反并联的可接通的半导体开关(36，42)的开关设备。
3.根据权利要求1所述的变流器装置(1)，
其中，所述开关模块(341，342)是全桥开关模块。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，电网换相的变流器(2)是基于晶闸管的变流器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，以与开关模块支路(31)和与桥接支路(33)并联连接的方式布置机械旁路开关(35)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，在所述开关模块支路(31)中布置有第一电感(40)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，在所述桥接支路(33)中布置有第二电感(39)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，对于桥接支路(33)中的反并联的半导体开关(36，42)的数量Ah成立：Ah<＝As<＝3*Ah，其中，As表示相关联的开关模块支路中的开关模块的数量。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，所述变流器装置(1)包括中央控制单元，所述中央控制单元被设计为在存在预定的条件时接通桥接支路(33)中的半导体开关。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，桥接支路(33)中的半导体开关(36，42)被设计为用于在存在预定的条件时自动接通。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的变流器装置(1)，
其中，所述变流器装置(1)还包括可控变压器(26)，所述可控变压器布置在至少一个开关模块支路(31)与变流器(2)之间。
12.一种用于启动根据权利要求1至11中任一项所述的变流器装置(1)的方法，在所述方法中
-截止开关模块支路中的开关模块；
-以预定的延迟来接通桥接支路中的半导体开关；以及
-通过延迟地接通半导体开关，将支路电流从开关模块支路换向到桥接支路。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中，依据开关模块电压和支路电流的电流方向切换开关模块，使得开关模块的能量存储器被充电到直至预先给定的电压水平。
14.根据权利要求12或13所述的方法，
其中，利用接通桥接支路(33)中的半导体开关(36，42)，来断开以与桥接支路(33)并联连接的方式布置的机械旁路开关(35)，使得支路电流被换向到桥接支路(33)。
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