DE60222634T2

DE60222634T2 - Prüfschaltung für hvdc-thyristorventile

Info

Publication number: DE60222634T2
Application number: DE60222634T
Authority: DE
Inventors: Erik Jansson; Baoliang Sheng
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: CN1493004A; EP1362242A1; WO2002067003A1; EP1362242B2; EP1362242B1; SE518628C2; SE0100579D0; SE0100579L; DE60222634D1; WO2002067003A8; ATE374374T1; CN1210572C

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von HVDC-Thyristor-Ventilen und eine Prüfschaltung zum Durchführen des Verfahrens.
Stand der Technik
Die Verwendung netzgeführter Thyristor-Konverter bzw. -Stromrichter bzw. -Umwandler zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC) ist eine etablierte Technik. Der Konverter umfasst üblicherweise zwei Sechspuls-Brücken, die an ihrer Gleichstromseite in Reihe geschaltet sind und an ihrer Wechselstromseiten mit Wechselspannungen mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 30° (30° electric) versorgt werden. Somit ist die Basiskonfiguration eines derartigen Konverters die Sechspuls-Brücke mit sechs Ventilen, wobei jedes Ventil üblicherweise mehrere in Reihe geschaltete Thyristoren umfasst.
Während eines Betriebs muss jedes Ventil Spannungsbelastungen sowie Strombelastungen widerstehen, die durch das Betriebsprinzip der Brücke bedingt sind, das heißt die Kommutierung des Gleichstroms von einem Ventil zu einem anderen, wobei die Kommutierung durch die Wechselstromleitungsspannungen erzwungen wird, die an die Ventile in Abhängigkeit der Zündfolge der Ventile angelegt werden.
Hinsichtlich einer allgemeinen Beschreibung des Kommutierungsprozesses wird auf Ake Ekström: High Power Electronics HVDC and SVC, Stockholm 1990, insbesondere auf die Seiten 9-1 bis 9-11 und 9-16 bis 9-17 mit entsprechenden Figuren Bezug genommen.
Die Spannungs- und Strombelastungen auf das Ventil während eines Betriebs kann getrennt in vier unterschiedlichen Zuständen analysiert werden;

a) nicht leitend unter Rückwärtsspannung (reverse voltage) mit transienter Spannungsüberregelung bzw. Überspannung beim Abschalten und transienter Vorwärtsspannungen (forward voltages) während der Rückkehr- bzw. Rückführungsperiode,
b) angeschaltet mit hohen anfänglichen Zeitableitungen des Stroms unter anderem durch Streukapazitäten,
c) leitend mit Leitungsverlusten, und
d) ausgeschaltet mit einer transienten Rückkehrspannung mit einem Spannungsüberschuss und nachfolgender Leistungsfrequenzrückkehrspannung.

Das Anschalten und Abschalten des Thyristorventils sind die kritischten Abfolgen im Betrieb des Ventils, wobei eine nähere Betrachtung dieser beiden Zustande notwendig ist, um die Äquivalenz zwischen einem synthetischen Prüfen und einem normalen Betrieb sicherzustellen.
Um sicherzustellen, dass die Ventile etablierten Standards und den Anforderungen des Verbrauchers entsprechen, muss jedes Ventil mit einem Prüfverfahren geprüft werden, welches die Spannungs- und Strombelastungen nahe wiedergibt, von denen erwartet wird, dass die während eines Betriebs in der tatsächlichen Umgebung des Konverters auftreten.
Ein Weg zum Durchführen derartiger Prüfungen besteht darin, die Brücken in einer sogenannten Kreuzschaltungs-Verbindung bzw. Back-to-Back-Verbindung (back-to-back connection) anzuordnen und zu betreiben. Angenommen die Wechselstrom- und Gleichstromnetzwerke, zwischen denen der Konverter betrieben wird, können richtig dargestellt bzw. wiedergegeben werden, hat diese Verfahren den Vorteil, dass die wichtigsten Strom- und Spannungswellenformen ebenfalls automatisch richtig sind. Jedoch steigen mit zunehmender gegenwärtiger Leistung des Ventils (Spannung mal Strom) ebenfalls die Anforderungen der Leistungskapazität der Prüfeinrichtung.
Um übermäßige Anforderungen an Leistungskapazität zu vermeiden, werden synthetische Prüfschaltungen verwendet, in denen der Strom durch das Ventil während dessen Leitperiode von einer Stromquelle bereitgestellt wird, und die an das Ventil während dessen nicht-leitender Periode angelegte Spannung von einer Spannungsquelle bereitgestellt wird, die von der Stromquelle getrennt ist. Dadurch kann die gegenwärtige Leistung der Spannungsquelle sowie der Stromquelle deutlich verringert werden.
Die Prüfschaltungen werden in einer sich wiederholenden Art und Weise betrieben, um den zyklischen Betrieb des Ventils darzustellen, wobei die Stromquelle und die Spannungsquelle synchron betrieben werden, um in Kombination die Strom- und Spannungsbelastungen darzustellen, die an das Ventil während dessen Betrieb in der Brücke angelegt werden. Die Spannung der Spannungsquelle wird an das Prüfventil über einen Schwingkreis angelegt.
Derartige Prüfschaltungen werden in Cigré Task Force 03 of Working Group 14.01: Test Circuits for HVDC Thyristor Valves (April 1997) erläutert. Einige Ausführungsformen derartiger Prüfschaltungen werden insbesondere in Kapitel 4.4 Synthetic Test Circuits (Seiten 24-42) gezeigt.
Das zitierte Dokument beschreibt in Verbindung mit 22a einen grundlegenden Spannungsschwingkreis. Diese Figur ist in dieser Patentanmeldung als 1 wiedergegeben.
Die Figur zeigt ein Prüfventil Vt und eine Gleichspannungsquelle VOS. Über die Ausgangsleitungen der Spannungsquelle ist ein Kondensator C2' geschaltet. Der Niederspannungsausgang der Spannungsquelle ist mit der Erde bzw. Masse gekoppelt. Der Hochspannungsausgang der Spannungsquelle ist mit einer Reihenschaltung eines Zusatzventil Va2', eines Induktors L2', eines Induktors L1' und des Prüfventils Vt und dann an die Erde gekoppelt. Zwischen der Verbindungsstelle der beiden Induktoren und der Erde ist ein Kondensator Cs' geschaltet. Anfänglich sind das Prüfventil Vt und das Zusatzventil Va2' blockiert und der Kondensator Cs' ist auf eine positive Spannung aufgeladen. Wird das Prüfventil ausgelöst, wird der Kondensator Cs' über den Induktor L1' durch das Prüfventil entladen und injiziert eine Halbwelle eines sinusförmigen Strompulses in das Ventil. Der Strompuls ist bestimmt durch die Spannung und die Kapazität des Kondensators Cs' und die Induktivität des Induktors L1'. Die Induktivität des Induktors L1' ist ausgewählt die Phasen-an-Phasen kommutierende Induktivität der tatsächlichen Schaltung darzustellen, und die Kapazität des Kondensator Cs' dann auf ein Ventil, so dass die Abschaltungsbedingungen des Ventils dargestellt werden. Die entgegengesetzte Spannung des Kondensator Cs' am Ende des Strompulses, dessen Spannung aufgrund von Verlusten eine etwas geringere Amplitude als die Amplitude von dessen anfänglicher Spannung aufweist, stellt die negative Rückkehrspannung auf das Prüfventil dar. Nach Auslösen des Ventils Va2' wird der Kondensator Cs' auf dessen anfängliche positive Spannung wiederaufgeladen.
Das zitierte Dokument beschreibt ebenfalls eine passive Zusatzschaltung, die parallel mit dem Prüfventil geschaltet wird, um repräsentative Anschalt- und Abschaltbelastungen auf des Prüfventil zu erhalten. Die Schaltung umfasst einen Kondensator, der für die Anschluss-an-Anschluss-Streukapazität des Ventils repräsentativ ist, in paralleler Verbindung mit einem Kondensator, der für die tatsächliche Anschluss-an-Anschluss-Kapazität des Ventils repräsentativ ist, und mit einer Reihenresonanz-RLC-Schaltung. Das zitierte Dokument betrifft ebenfalls die Tatsache, dass das Rückkehrverhalten des Ventils von der Abschaltzeit-Ableitung des Stroms in dem Intervall von 200 μsek vor einem Strom von null abhängig ist. Um diesen Effekt wiederzugeben, sollte die Dauer des durch die Spannungsschaltung injizierten Stroms nicht weniger als 600 μsek betragen.
Das zitierte Dokument beschreibt in Verbindung mit 36 eine Prüfschaltung, die eine Stromquelle, eine Spannungsquelle und einen aufwendigeren Spannungsschwingkreis umfasst. Diese Figur ist in dieser Patentanmeldung als 2 wiedergegeben. Die vorstehend aufgeführte 36 zeigt offensichtlich Quecksilberdampfventile, die als Zusatzventile verwendet werden, wobei diese Ventile zum Zweck der Einfachheit in 2 dieser Patentanmeldung als Halbleiterventile, d. h. als Thyristoren, dargestellt sind.
2 zeigt eine Stromquelle CUS', ein Prüfventil Vt und eine Gleichspannungsquelle VOS. Die Details der in 36 des zitierten Dokuments gezeigten Stromquelle, die eine Umführungsanordnung für das Prüfventil umfasst, die als eine zweiphasige Resonanzschaltung beschrieben wird, sind in 2 nicht gezeigt. Ein Kondensator C2' ist über die Ausgangsleitungen der Spannungsquelle geschaltet. Der Hochspannungsausgang der Spannungsquelle ist mit einer Reihenschaltung eines Induktors L2', eines Zusatzventil Va2', zwei Zusatzventil Va3' und Va4' in anti-paraller Verbindung, eines Induktors L1' und des Prüfventils Vt und dann an den Niederspannungsausgang der Spannungsquelle gekoppelt. Ein Kondensator Cs' ist zwischen der Verbindungsstelle der beiden Zusatzventile Va3' und Va4' und dem Zusatzventil Va2', und dem Niederspannungsausgang der Spannungsquelle geschaltet.
Eine Zusatzschaltung AUC von der vorstehend aufgeführten Art, die einen Kondensator und eine Reihenresonanz-RLC-Schaltung in paralleler Verbindung umfasst, um unter anderem die Streukapazität des Ventils darzustellen, ist über das Prüfventil geschaltet. Ein Zusatzventil Va5' ist ebenfalls über das Prüfventil mit der gleichen Polarität wie das Prüfventil geschaltet. Die Stromausgangsleitungen der Stromquelle werden mit dem Prüfventil über ein Zusatzventil Va1 geschaltet. Die Figur zeigt ebenfalls einen zusätzlichen Impulsspannungsgenerator IG, der ermöglicht, dass eine Impulsspannungs-Aushalte-Prüfung des Ventils während dessen Rückkehrintervalls durchgeführt werden kann.
Anfänglich wird, wobei die Zusatzschaltung AUC auf eine positive Spannung aufge laden ist und sich das Prüfventil in einem nicht-leitenden Zustand befindet, das Prüfventil ausgelöst. Dies führt dazu, dass ein Einschaltstrom durch das Prüfventil fließt, wobei die Zusatzschaltung entladen wird. Danach wird das Zusatzventil Va1 ausgelöst, um den Ausgangsstrom der Stromquelle durch das Prüfventil freizusetzen. Der Strom wird von der Umführungsanordnung auf eine Reihenschaltung des Ventils Va1 und des Prüfventils gewendet und für die leitende Periode von 120° (120° electric) ungefähr konstant gehalten. Dann wird, durch Auslösen der Umführungsanordnung, der Strom von dem Prüfventil auf die Umführungsanordnung gewendet.
Kurz bevor der Strom des Prüfventils null erreicht, wird Ventil Va3' ausgelöst, wobei die Ladung des Kondensator Cs' freigesetzt wird, wobei das Zusatzventil Va1 abgeschaltet wird und eine Injektionsstromschleife in ähnlicher Art und Weise aktiviert wird, wie vorstehend in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Somit erzwingt die Entladung von Cs' einen halbwelligen sinusförmigen Strompuls durch das Prüfventil, wobei der Puls bestimmt ist durch die Spannung und die Kapazität des Kondensators Cs', und die Induktivität des Induktors L1'. Eine realistische Rückkehrspannung, umfassend eine Auslöschüberspannung, wird über eine Wechselwirkung des Prüfventils und der passiven Zusatz-AUC erhalten, wenn das Prüfventil den nicht-leitenden Zustand erreicht hat. Das Ventil Va4' koppelt die negative Rückwärtsspannung des Kondensator Cs' auf das Prüfventil und die Zusatzschaltung AUC.
Die Zusatzventile Va2' und Va3' werden zu einer geeigneten Zeit ausgelöst, um die Vorwärts-Sperrspannung an das Prüfventil anzulegen und um die Spannungen des Kondensator Cs' und der Zusatzschaltung AUC wiederaufzuladen.
Eine Schaltung mit einem Kondensator und einem Widerstand in Reihenschaltung wird parallel mit den Ventilen Va3' und Va4' geschaltet. Der Zweck dieser Schaltung besteht darin ein Auslösen des Prüfventils während eines Zeitintervalls zu ermöglichen, wenn der Spannungsschwingkreis über das Ventil Va2' wiederaufgeladen wird. Die Verwendung des Ventils Va3' zu diesem Zweck würde dann zu einem Kurzschluss der Spannungsquelle durch das Prüfventil führen.
Das Zusatzventil Va5' wird ausgelöst, wenn eine sogenannte Doppel-Wiederauflade-Betriebs-Prüfung durchgeführt werden soll.
In dem zitierten Dokument wird eingeräumt, dass insbesondere die Umführungsanordnung für das Prüfventil, in der Stromquelle umfasst und als eine Bypass(bi-pass)- Resonanzschaltung beschrieben, keine Fehlerströme bereitstellen kann, die für das Ventil unter Prüfung geeignet sind.
Als Abhilfe wird in dem zitierten Dokument vorgeschlagen eine Sechspuls-Brücke als eine Umführungsanordnung zu verwenden, in der ein Arm durch eine Reihenschaltung des Prüfventils Vt und des Zusatzventil Va1 gebildet wird.
In dem Dokument T. Bauer et al.: Operational Tests an HVDC Thyristor Modules in a Synthetic Test Circuit for the Sylmar East Project. IEEE/PES Summer Meeting, 28. Juli – 1. August 1996, Denver, Colorado, werden Funktionsprüfungen der Ventile unter Verwendung einer synthetischen Prüfschaltung berichtet. Die Hauptstromquelle wird als ein Drei-Phasen-Transformator und eine Sechspuls-Brücke beschrieben, in der ein Arm durch das Prüfventil und ein Zusatzventil in Reihenschaltung gebildet wird. Ebenfalls liefert die Spannungsschaltung während der leitenden Periode des Prüfventils einen Teil des Prüfstroms.
Das Dokument berichtet über Studien, die bestätigen, dass lediglich ein zusätzlicher Kondensator, der parallel mit dem Prüfgegenstand geschaltet ist, ausreichend war, die Anschalt- und Abschaltbelastungen des Prüfventils darzustellen. Dies impliziert, dass die in 2 dieser Anmeldung gezeigte Zusatzschaltung AUC durch lediglich einen Kondensator gebildet werden kann.
Das Dokument berichtet weiterhin, dass Fehlerstromprüfungen durch Auslösen eines Zusatzventils durchgeführt werden, das anti-parallel mit einem anderen Brückenarm der gleichen Kommutationsgruppe wie das Prüfventil geschaltet ist. Dieses Zusatzventil wird dann ausgelöst, wenn sich das Prüfventil in einem leitenden Zustand befindet. Eine ähnliche Schaltungskonfiguration ist ebenfalls in dem vorstehend zitierten Cigré Task Force 03-Dokument, 37 gezeigt. Diese Figur ist als 3 dieser Patentanmeldung wiedergegeben. Die Figur zeigt eine Hauptstromquelle CUS, die eine Sechspuls-Brücke REC umfasst, die an einen Drei-Phasen-Transformator T gekoppelt ist, wobei ein Arm der Brücke durch eine Reihenschaltung des Prüfventils Vt und des Zusatzventils Va1 gebildet wird. Das Zusatzventil, das zum Durchführen von Fehlerstromprüfungen verwendet wird, ist als Va11 gekennzeichnet. Die Figur zeigt lediglich das Koppeln der Spannungsquelle und des Spannungsschwingkreises an die Stromquelle und das Prüfventil.
Der Spannungsschwingkreis des Dokuments von T. Bauer et al. ist als 4 dieser Patentanmeldung wiedergegeben. Über die Ausgangsleitungen einer Spannungsquelle VOS' ist eine Reihenschaltung eines Zusatzventils V121 und eines Kondensators CL geschaltet. Eine Reihenschaltung eines Zusatzventils VL, eines Induktors LL, eines Induktors LS und des Prüfventils Vt ist an die Verbindungsstelle des Ventils V121 und des Kondensator CL gekoppelt und dann an den Niederspannungsausgang der Spannungsquelle. Ein Kondensator CS und ein Gate-Abschaltungs-Thyristor GTO sind parallel zwischen der Verbindungsstelle der beiden Induktoren LL und LS und dem Niederspannungsausgang der Spannungsquelle geschaltet. Der Gate-Abschaltungs-Thyristor weist eine Polarität in der entgegengesetzten Richtung zu dem Prüfventil auf. Ein Kondensator CA ist mit dem Prüfventil parallel geschaltet. Die Stromausgangsleitungen einer Spannungsquelle CUS' sind an das Prüfventil über ein Zusatzventil V241 geschaltet.
Der Schwingkreis, der aus dem Kondensator CL, dem Zusatzventil VL, dem Induktor LL und dem Kondensator CS besteht, wird zum Wiederaufladen des Kondensators CS bereitgestellt. Der Kondensator CS wird auf die Prüfspannung aufgeladen, welche die positive Sperrspannung über das Prüfventil bereitstellt. Wird der Kondensator CS über den Induktor LS durch das Prüfventil entladen, wird ein Viertel einer Periode eines sinusförmigen Strompulses durch das Prüfventil fließen. Erreicht dieser Strompuls seinen Maximalwert (und geht die Spannung des Kondensators CS gegen null), wird der Gate-Abschaltungs-Thyristor GTO ausgelöst, um als ein Freilaufzweig zu wirken, in dem der Strom ungefähr auf jenem Maximalwert durch die Energie gehalten wird, die in dem Induktor LS gespeichert ist, und wobei die Spannung über den Kondensator CS bei null gehalten wird. Dieser Strom und der Strom von der Hauptstromquelle bilden den Prüfstrom durch das Prüfventil. Am Ende des Strom-leitenden Intervalls für das Prüfventil, das heißt nach 120° (120° electric), wird der Gate-Abschaltungs-Thyristor GTO abgeschaltet und der Strom durch den Induktor LS und das Prüfventil wird den Kondensator CS mit einem Viertel einer Periode eines sinusförmigen Strompulses wiederaufladen, um Rückwärts-Rückkehrspannung an dem Prüfventil bereitzustellen. Das Zusatzventil V241 wird synchron mit dem Gate-Abschaltungs-Thyristor GTO ausgelöst, um den zusätzlichen Strom von der Stromquelle zu liefern, der erforderlich ist, um den vollständigen Prüfstrom durch das Prüfventil darzustellen.
Somit besteht ein Merkmal dieser Schaltung darin, dass ein wesentlicher Anteil des Prüfstroms von dem Spannungsschwingkreis geliefert wird, der aus dem Kondensator CS, dem Induktor LS und dem Prüfventil besteht.
Die Injektion bzw. Einspeisung des Stroms von dem Spannungsschwingkreis in das Prüfventil von Beginn bis zum Ende von dessen leitender Periode, wird durch Entladen des Kondensators CS erreicht.
In beiden der vorstehend beschriebenen Spannungsschwingkreise, führt der Injektionsstrompuls dazu, dass die Polarität eines Kondensators (der Kondensator Cs' in 2 und der Kondensator CS in 4) umgekehrt wird. Dieser gleiche Kondensator wird ebenfalls verwendet, um die Vorwärts-Sperrspannung an das Prüfventil anzulegen, wobei zu diesem Zweck der Kondensator dann auf dessen anfängliche Polarität wiederaufgeladen werden muss.
Ein gemeinsames Merkmal der vorstehend beschriebenen Spannungsschwingkreise besteht darin, dass die Spannungsquelle an den Kondensator geschaltet ist – in 2 über den Induktor L2' durch Auslösen des Ventils Va2', und in 4 über den Induktor LL durch Auslösen des Ventils VL. In beiden Fällen erfordert dieses Verfahren eine hohe Leistungsanforderung an die Spannungsquelle. Ohne Berücksichtigung von Leistungsverlusten in den Komponenten, gleicht die zum Ändern einer Polarität des Kondensators notwendige Energie 2·C·U², wobei C die Kapazität des Kondensators Cs' bzw. des Kondensators CS ist, und U die Prüfspannung ist. Somit beträgt die erforderliche Leistung von der Spannungsquelle 2·C·U²·f, wobei f die Frequenz des Leistungsnetzwerks ist.
Wie in Verbindung mit 4 beschrieben ist, erfordert der Freilaufzweig, der einen wesentlichen Anteil des Prüfstroms liefert, eine hohe Nennleistung des Induktors LS, und zusätzlich wird dieses Verfahren zu einer weniger genauen Darstellung der Strom-Zeitableitung vor dem Strom null, und als eine Konsequenz, der transienten Rückkehrspannung führen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren der Art wie in der Einleitung beschrieben bereitzustellen, welches eine geringere Nennleistung der Komponenten der Prüfschaltung, insbesondere der Spannungsquelle, ermöglicht, und eine Prüfschaltung zum Durchführen des Verfahrens.
Diese Aufgabe wurde mit einer synthetischen Prüfschaltung gemäß Anspruch 1 und mit einem Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Spannungsschwingkreis mit einem Induktor und einem ersten Kondensator, wobei der erste Kondensator einen Injektionsstrom durch das Prüfventil liefert, und eine Vorwärts-Sperrspannung an das Prüfventil anlegt, worin der Spannungsschwingkreis erste Mittel zum Erzeugen eines oszillierenden Stromwegs bzw. -pfads durch den Induktor und den ersten Kondensator zur Umkehrung der Spannung des ersten Kondensators umfasst, wobei der Stromweg von der Spannungsquelle während der Umkehrung der Spannung des ersten Kondensators entkoppelt ist.
Der Spannungsschwingkreis umfasst weiterhin einen zweiten Kondensator, der über die Spannungsquelle geschaltet ist, und zweite Mittel um den zweiten Kondensators über den Induktor an den ersten Kondensator zu koppeln, wenn die Spannung des ersten Kondensators die gleiche Polarität wie die Polarität der Spannungsquelle aufweist.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird durch eine Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen ausführlicher erläutert, wobei
1 einen Spannungsschwingkreis für eine synthetische Prüfschaltung gemäß dem Stand der Technik zeigt,
2 eine synthetische Prüfschaltung gemäß dem Stand der Technik zeigt,
3 eine Stromquelle für eine synthetische Prüfschaltung gemäß dem Stand der Technik zeigt,
4 einen weiteren Spannungsschwingkreis für eine synthetische Prüfschaltung gemäß dem Stand der Technik zeigt,
5 eine erfindungsgemäße synthetische Prüfschaltung zeigt, und
6A-6C Strom- und Spannungswellen zeigen, die mit der Prüfschaltung gemäß 5 erhalten wurden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung betrifft das Verfahren sowie die Prüfschaltung. In den Figuren werden für gleiche und entsprechende Teile der unterschiedlichen Abbildungen gleiche Bezugszeichen verwendet.
5 zeigt eine erfindungsgemäße synthetische Prüfschaltung. Eine Stromquelle REC umfasst eine Sechspuls-Thyristor-Brücke, in der ein Arm durch die Reihenschaltung des Prüfventils Vt und eines Hilfsventils Va1 gebildet wird.
Die Sechspuls-Brücke REC ist an ihrer Wechselstromseite an eine Sekundärspule eines Transformators TDD in Δ/Δ-Verbindung gekoppelt. Die Primärspule des Transformators ist über Phaseninduktoren Lph an einen Dreiphasen-Generator G gekoppelt. Der Generator ist ebenfalls an die Primärspulen eines Transformators TDY in Δ/Y-Verbindung gekoppelt. Die Y-geschaltete Sekundärspule des Transformators TDY ist an die Wechselstromseite einer Sechspuls-Thyristor-Brücke INV gekoppelt. Die Gleichstromseiten der Brücke INV und der Brücke REC sind über einen glättenden Induktor Ls geschaltet, wobei dadurch ermöglicht wird, dass Leistung über die Brücken, die Transformatoren und den Generator in einer derartigen Weise fließt, dass die beiden Sechspuls-Brücken in einer Kreuzschaltungs-Verbindung geschaltet sind.
Die Spannungsquelle ist, wie nachstehend beschrieben, über einen Spannungsschwingkreis an das Prüfventil gekoppelt. Ein Kondensator C2 ist über die Ausgangsleitungen einer Gleichspannungsquelle VOS geschaltet. Ein Hochspannungsausgang der Spannungsquelle ist an eine Reihenschaltung eines Zusatzventils Va2, eines Induktors L2, zwei Zusatzventilen Va3 und Va4 in anti-paralleler Verbindung, eines Induktors L1, des Prüfventils Vt und dann an einen Niederspannungsausgang der Spannungsquelle gekoppelt. Ein Kondensator Cs ist zwischen der Verbindungsstelle der beiden Zusatzventile Va3 und Va4 und des Induktors L2, und den Niederspannungsausgang der Spannungsquelle geschaltet.
Ein Kondensator Ct ist über das Prüfventil geschaltet, um die Streukapazität des Ventils darzustellen. Der Induktor L1 stellt die Phasen-an-Phasen-Kommutations-Induktivität dar. Das Prüfventil ist normalerweise ein Abschnitt bzw. Bereich des Ventils, wie es im Betrieb verwendet wird, die Induktivität des Induktors L1 ist proportional skaliert. Ein Zusatzventil Va5 ist zwischen der Verbindungsstelle des Ventils Va2 und des Induktors L2 und dem Niederspannungsausgang der Spannungsquelle mit entgegengesetzter Polarität wie der des Prüfventils geschaltet.
Die Spannung der Gleichspannungsquelle ist stufenlos verstellbar, üblicherweise bis zu 70 kV. Die Induktivität des Induktors L2 ist verstellbar, üblicherweise in einem Bereich von 0,2 mH bis zu 200 mH, und die Kapazität des Kondensators Cs ist ebenfalls verstellbar, üblicherweise in einem Bereich von ungefähr 1 μF bis zu 70 μF.
Das Auslösen der unterschiedlichen Ventile in einer bestimmten zeitlichen Abfolge, die nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird durch ein Steuersystem CTRL gesteuert, das in der Figur lediglich schematisch angezeigt ist, und an die Ventile in der Prüfschaltung Auslösesignale TS liefert, die ebenfalls in der Figur lediglich schematisch gezeigt sind. Derartige Steuersysteme sind an sich bekannt und bilden keinen Teil dieser Erfindung und Patentanmeldung.
6A zeigt die Wellenform des Stroms Itest, der an das Prüfventil während eines kompletten Prüfzyklus angelegt wird, der einem Betriebszyklus einer 360° (360° electric) entspricht, 6B zeigt die Wellenformen von Strömen Iaux, die in dem Spannungsschwingkreis auftreten, und 6C zeigt die Wellenform der Spannung Utest, die an das Prüfventil durch den Spannungsschwingkreis angelegt wird.
In den Figuren ist die Parameterzeit (als t gekennzeichnet) auf der horizontalen Achse gezeigt, während Ströme und Spannungen an der vertikalen Achse gezeigt sind.
Ab Zeit t0 fließt ein konstanter Strom einer Amplitude Id durch das Zusatzventil Va1 und das Prüfventil Vt. Die Abfolge der Kommutation des Stroms von dem Prüfventil zu einem anderen Ventil in der Sechspuls-Brücke REC wird dann durch eine nicht gezeigte Steuervorrichtung für die Sechspuls-Brücke initialisiert, die im Prinzip wie bekannte Brückensteuervorrichtungen zum Steuern von Sechspuls-Brücken in HVDC-Konverter-Vorrichtungen arbeitet.
Zur Zeit t1, die kurz davor liegt, bevor der von der Stromquelle gelieferte Strom seinen Nullwert zur Zeit t2 erreicht, wird das Zusatzventil Va3 ausgelöst, um die positive Ladung des Kondensators Cs durch den Induktor L1 und das Prüfventil freizusetzen. Der Kondensatorentladungsstrom nimmt die Form einer sinusförmigen Halbwelle an, die in 6B mit einer gestrichelten Linie Iinj von einer Zeit t1 bis zu einer Zeit t3 gezeigt ist. Zwischen den Zeiten t1 und t2 ist der Strom durch das Prüfventil somit die Summe des Stroms, der von der Stromquelle und von dem Spannungsschwingkreis geliefert wird, und zwischen den Zeiten t2 und t3 gleich dem Injektionsstrom ist.
Das Zusatzventil Va1 schaltet ab, wenn der Strom von der Stromquelle zur Zeit t2 null erreicht, wodurch die Stromquelle von dem Prüfventil isoliert wird bis das Ventil Va1 erneut ausgelöst wird.
Der Kapazitätswert des Kondensators Cs wird in Verbindung mit der Induktivität des Induktors L1 gewählt, so dass die Halbwellen-Injektionszeit t1 bis t3 gleich oder höher als 600 μsek wird. Dieser Wert stimmt mit Anforderungen überein, die in dem vorstehend zitierten Cigré Task Force 03-Dokument festgelegt sind und sicherstellen werden, dass mit einem richtig ausgewählten anfänglichen Spannungswert an den Kondensator Cs, eine geeignete Abschaltzeit-Ableitung des Stroms in dem Zeitintervall von 200 μsek vor dem Strom null zur Zeit t3 erreicht wird.
Während des Zeitintervalls t1 bis t3 wird die Spannung an dem Kondensator Cs auf einen Wert U1 (6C) umgekehrt. Tritt das Prüfventil zur Zeit t3 in dessen nicht-leitenden, blockierten Zustand, wird das Zusatzventil Va4 ausgelöst, über welches die umgekehrte Spannung des Kondensators Cs den Kondensator Ct sowie die Puffer-Schaltung des Prüfventils (in 5 nicht gezeigt) durch den Stromweg Cs-Va4-L1-Ct während des Zeitintervalls t3 bis t5 laden wird, wodurch die transiente Rückkehrspannung und die Rückwärts-Rückkehrspannung an dem Prüfventil angelegt wird.
Wie in 6C gezeigt, ist die Spannungsumkehr des Kondensators Cs mit einem Spannungsüberschuss aufgrund einer Wechselwirkung zwischen dem Kondensator Ct, der Puffer-Schaltung und dem Kondensator Cs über den Induktor L1 assoziiert.
Zur Zeit t4, zu der die transiente Rückkehrsparmung gedämpft ist, wird das Zusatzventil Va5 ausgelöst, um einen oszillierenden Stromweg Va5-L2-Cs für die Spannungspolaritätsänderung des Kondensators Cs bereitzustellen. Während des Zeitintervalls zwischen t4 und t6 kehrt sich die Spannung an dem Kondensator Cs auf einen positiven Amplitudenwert U2 um (6C). Dieser Umkehrstrom ist in 6B als der Strom Irev von einer Zeit t4 bis zu einer Zeit t6 gezeigt.
Es ist klar, dass zwischen diesem Zeitintervall von der Zeit t4 bis zu der Zeit t6 die Spannungsquelle durch das sich in einem nicht-leitenden Zustand befindende Ventil Va2 von dem Spannungsschwingkreis entkoppelt ist.
Zur Zeit t7 wird das Ventil Va2 ausgelöst, um den Kondensator Cs auf eine Spannung der Amplitude U3 aufzuladen, um den Spannungsabfall an dem Kondensator Cs zu kompensieren, der sich aufgrund von Verlusten während der vorstehend aufgeführten Spannungsumkehrungen ergibt. Dieser Ladestrom ist in 6B als der Strom Ich von einer Zeit t7 bis zu einer Zeit t8 gezeigt. Zur Zeit t8 wird das Ventil Va2 blockiert, wenn der oszillierende Ladestrom durch null tritt.
Das Zusatzventil Va3 wird zur Zeit t5 ausgelöst und bleibt bis zur Zeit t8 in einem leitenden Zustand, und legt folglich während dieses Zeitintervalls die Spannung des Kondensators Cs an den Kondensator Ct und an das Prüfventil an.
Zur Zeit t9, an der die Spannung der Amplitude U3 an das Prüfventil angelegt wird, wird das Prüfventil ausgelöst. Der Kondensator Ct, der ebenfalls auf die Spannung einer Amplitude U3 geladen ist, wird dann durch das Prüfventil entladen und legt an dieses einen Einschaltstrom an, wie in 6A gezeigt ist. Da zur gleichen Zeit die Spannung über das Prüfventil auf null zusammenbricht, wird die Spannung der Stromquelle an das Prüfventil angelegt, und wobei wenn, gefolgt von dem Auslösen des Prüfventils, das Zusatzventil Va1 ausgelöst wird, ebenfalls zur Zeit t9, der Ausgangsstrom der Stromquelle durch das Prüfventil angelegt wird.
Wie aus der vorstehend aufgeführten Erklärung der erfindungsgemäßen Schaltung (5) klar ist, wird die Umkehr der Spannungspolarität des Kondensator Cs durch Erzeugen eines umkehrenden oszillierenden Stromwegs über den Induktor L2 und den Kondensator Cs durch Auslösen des Zusatzventil Va5 erzielt. Während dieses Wiederaufladeprozesses ist der aufgeführte Stromweg von der Spannungsquelle mittels des Ventils Va2 entkoppelt. Lediglich wenn die Spannungspolarität des Kondensators Cs in dessen anfängliche Polarität umgekehrt wird, ist die Spannungsquelle mit dem Kondensator Cs durch Auslösen des Ventils Va2 zur Zeit t7 verbunden. Die von der Spannungsquelle gezogene Leistung ist somit lediglich die Leistung, die benötigt wird, um die Abschaltverluste des Prüfventils und die Widerstandsverluste in dem Spannungsschwingkreis zu kompensieren.
Ein Impulsgenerator IG einer an sich bekannten Art ist an die Anschlüsse des Prüfventils und parallel mit dem Spannungsschwingkreis verbunden, um Prüfungen transienter Spannungen während der Rückkehrperiode des Ventils durchzuführen.
Ein Ventil Vs ist anti-parallel mit einem Arm der Brücke REC verbunden, um Kurzschluss-Fehlerstrom-Prüfungen an dem Prüfventil durchzuführen.

Claims

Synthetische Prüfschaltung zum Prüfen eines HVDC-Ventils (Vt), mit – einer Stromquelle (CUS); – einer Spannungsquelle (VOS) mit einem Hochspannungsausgang und einem Niederspannungsausgang; und – einem Spannungsschwingkreis umfassend einen Induktor (L2), einen ersten Kondensator (Cs) und einen zweiten Kondensator (C2), wobei – der Induktor (L2) zwischen den Hochspannungsausgang der Spannungsquelle (VOS) und den ersten Kondensator (Cs) geschaltet ist; – der Kondensator (Cs) zwischen den Induktor (L2) und den Niederspannungsausgang der Spannungsquelle (VOS) geschaltet ist; und – der zweite Kondensator (C2) über die Spannungsquelle (VOS) geschaltet ist; – der Spannungsschwingkreis mit dem HVDC-Ventil (Vt) derart verbindbar ist, dass der erste Kondensator (Cs) eine Vorwärts-Sperrspannung oder eine Rückwärts-Rückkehrspannung an das HVDC-Ventil (Vt) anlegt, oder wenn das HVDC-Ventil (Vt) ausgelöst ist, sich durch das HVDC-Ventil (Vt) entlädt, wodurch ein Injektionsstrom (Iinj) durch das HVDC-Ventil (Vt) geliefert wird; dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschwingkreis weiter umfasst – erste Mittel (Va5) zum Erzeugen eines oszillierenden Strompfads (L2-Cs-Va5) durch den Induktor (L2) und den ersten Kondensator (Cs) für eine Polaritätsänderung der Spannung des ersten Kondensators (Cs) von Rückwärts-Rückkehrspannungs-Polarität nach Vorwärts-Sperrspannungs-Polarität, wobei der Strompfad (L2-Cs-Va5) während der Änderung der Polarität des ersten Kondensators (Cs) von der Spannungsquelle (VOS) entkoppelt ist; und – zweite Mittel (Va2) zum Koppeln des zweiten Kondensators (C2) mit dem ersten Kondensator (Cs) über den Induktor (L2), wenn die Spannung des ersten Kondensators (Cs) die gleiche Polarität aufweist wie die Polarität der Spannungsquelle (VOS).
Synthetische Prüfschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (CUS) eine erste Sechspuls-Brückenschaltung (REC) umfasst, in der ein Arm eine Reihenschaltung des HVDC-Ventils (Vt) und eines Zusatzventils (Va1) umfasst.
Synthetische Prüfschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfschaltung eine zweite Sechspuls-Brückenschaltung (INV) umfasst, wobei die erste (REC) und die zweite (INV) Sechspuls-Brückenschaltung in einer Kreuzschaltungs-Verbindung verbunden sind.
Verfahren zum synthetischen Prüfen eines HVDC-Ventils in einer Prüfschaltung mit einer Stromquelle (CUS), einer Spannungsquelle (VOS) mit einem Hochspannungsausgang und einem Niederspannungsausgang, und einem Spannungsschwingkreis, wobei der Spannungsschwingkreis einen Induktor (L2), einen ersten Kondensator (Cs) und einen zweiten Kondensator (C2) umfasst, wobei der Induktor (L2) zwischen den Hochspannungsausgang der Spannungsquelle (VOS) und den ersten Kondensator (Cs) geschaltet ist, der Kondensator (Cs) zwischen den Induktor (L2) und den Niederspannungsausgang der Spannungsquelle (VOS) geschaltet ist, und der zweite Kondensator über die Spannungsquelle geschaltet ist, wobei – der Spannungsschwingkreis mit dem HVDC-Ventil (Vt) derart verbunden wird, dass eine Vorwärts-Sperrspannung oder eine Rückwärts-Rückkehrspannung an das HVDC-Ventil (Vt) über den ersten Kondensator (Cs) anlegbar sind, oder dass wenn das HVDC-Ventil (Vt) ausgelöst ist, der erste Kondensator (Cs) durch das HVDC-Ventil (Vt) entladen wird, wodurch ein Injektionsstrom (Iinj) durch das HVDC-Ventil (Vt) geliefert wird; gekennzeichnet durch – Erzeugen eines oszillierenden Strompfads (L2-Cs-Va5) durch den Induktor (L2) und den ersten Kondensator (Cs) für eine Polaritätsänderung der Spannung des ersten Kondensators (Cs) von Rückwärts-Rückkehrspannungs-Polarität nach Vorwärts-Sperrspannungs-Polarität, wobei der Strompfad während der Änderung der Polarität des ersten Kondensators (Cs) von der Spannungsquelle (VOS) entkoppelt wird; und – Koppeln des zweiten Kondensators (C2) mit dem ersten Kondensator (Cs) über den Induktor (L2), wenn die Spannung des ersten Kondensators (Cs) die gleiche Polarität aufweist wie die Polarität der Spannungsquelle (VOS).