ES2856832T3 - Disposición de convertidor y procedimiento para su protección contra cortocircuitos - Google Patents
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Abstract
Disposición de convertidor (1, 101) con - un primer módulo de fase que se extiende entre un primer y un segundo polo de tensión continua (51, 61), que presenta una primera conexión de tensión alterna (2), el cual comprende una primera rama de módulo de fase (8) que se extiende entre la primera conexión de tensión alterna (2) y el primer polo de tensión continua (51) y una segunda rama de módulo de fase (9) que se extiende entre la primera conexión de tensión alterna (2) y el segundo polo de tensión continua (61), - un segundo módulo de fase que se extiende entre el primer y el segundo polo de tensión continua (51, 61), que presenta una segunda conexión de tensión alterna (3), el cual comprende una tercera rama de módulo de fase (10) que se extiende entre la segunda conexión de tensión alterna (3) y el primer polo de tensión continua (51) y una cuarta rama de módulo de fase (11) que se extiende entre la segunda conexión de tensión alterna (3) y el segundo polo de tensión continua (61), comprendiendo cada una de las ramas de módulo de fase (8, 9, 10, 11) una conmutación en serie de submódulos (14) bipolares, comprendiendo cada submódulo al menos dos conmutadores de semiconductores de potencia (28, 29) conmutados en serie y un acumulador de energía (31) y pudiendo puentearse por medio de una unidad de puente (33) dispuesta en paralelo a sus bornes de conexión independientemente de la dirección de corriente, - un conmutador de tensión continua (16) en uno de los dos polos de tensión continua (51, 61), caracterizada por - una ruta de circulación libre (22), que se extiende entre un primer enlace de tensión continua (71), que se puede unir con el primer polo de tensión continua (51), y un segundo enlace de tensión continua (72), que se puede unir con el segundo polo de tensión continua (61) y comprende un elemento semiconductor (23) con una dirección de bloqueo y una dirección de paso, comprendiendo la ruta de circulación libre (22) una conmutación en paralelo (102) dispuesta en serie con respecto al elemento semiconductor (23) con un elemento absorbedor de energía (24) y un conmutador absorbedor (103) dispuesto en paralelo al mismo.
Description
DESCRIPCIÓN
Disposición de convertidor y procedimiento para su protección contra cortocircuitos
La invención se refiere a una disposición de convertidor con un primer módulo de fase que se extiende entre un primer y un segundo polo de tensión continua, que presenta una primera conexión de tensión alterna, el cual comprende una primera rama de módulo de fase que se extiende entre la primera conexión de tensión alterna y el primer polo de tensión continua y una segunda rama de módulo de fase que se extiende entre la primera conexión de tensión alterna y el segundo polo de tensión continua, un segundo módulo de fase que se extiende entre el primer y el segundo polo de tensión continua, que presenta una segunda conexión de tensión alterna, el cual comprende una tercera rama de módulo de fase que se extiende entre la segunda conexión de tensión alterna y el primer polo de tensión continua y una cuarta rama de módulo de fase que se extiende entre la segunda conexión de tensión alterna y el segundo polo de tensión continua, comprendiendo cada una de las ramas de módulo de fase una conmutación en serie de submódulos bipolares, comprendiendo cada submódulo al menos un conmutador de semiconductores de potencia y un acumulador de energía y pudiéndose puentear por medio de una unidad de puente dispuesta en paralelo a sus bornes de conexión independientemente de la dirección de corriente.
Un puenteo independiente de la dirección de corriente debe estar presente en este sentido cuando el submódulo está puenteado independientemente de la dirección de corriente.
Una disposición de convertidor de acuerdo con este tipo se conoce por el artículo “Protection of Nonpermanent Faults on DC Overhead Lines in MMC-Based HVDC Systems” de Li et al, IEEE Trans. On Power Delivery, vol. 28, n.° 1, enero de 2013. Las disposiciones de convertidor de este tipo se aplican, por ejemplo, en la transmisión de corriente continua de alta tensión (HGÜ). A este respecto, se puede transmitir energía eléctrica de manera eficiente a largas distancias de cientos a miles de kilómetros. La transmisión se efectúa generalmente a través de líneas de tensión continua, que están realizadas en forma de cables tendidos en el suelo o en el mar o líneas aéreas (“overhead lines"). La línea de tensión continua comprende habitualmente enlaces de tensión continua, líneas aéreas, líneas tendidas en el suelo o como conductores de tierra, y que se pueden unir con los polos de tensión continua de la disposición de convertidor. En particular en el primer caso, las influencias ambientales, tal como por ejemplo los rayos y los árboles caídos, pueden provocar un cortocircuito a menudo breve en la línea de tensión continua. En el caso de errores en el lado de tensión continua de este tipo, se originan en ciertas condiciones corrientes de cortocircuito muy altas. Las corrientes de cortocircuito pueden conducir a un daño de componentes de convertidor, dado que fluyen en general también por las ramas de módulo de fase de la disposición de convertidor. De ello resulta una necesidad de desconectar para una protección contra cortocircuitos de la disposición de convertidor las corrientes de cortocircuito. En la disposición de convertidor conocida se bloquean todos los conmutadores de semiconductores de potencia en los submódulos en cuanto se constata el cortocircuito en el lado de tensión continua por medio de un detector adecuado. Al mismo tiempo, todos los submódulos por medio de las correspondientes unidades de puente, que comprenden en el caso de la disposición de convertidor conocida tiristores antiparalelos, se puentean o se cortocircuitan sus bornes. Para ello, una unidad de control prevista para ello controla los tiristores para cambiarlos a un estado conductor. De esta manera, se puede producir en el lado de tensión alterna una especie de cortocircuito simétrico de todas las fases de una red de tensión alterna conectada a la disposición de convertidor. De este modo se consigue que ya no se alimente más potencia a la línea de tensión continua unida en el lado de tensión continua con la disposición de convertidor. La corriente de cortocircuito en la línea de tensión continua, por tanto, ya no se mantiene más mediante transmisión de potencia. La corriente de cortocircuito que fluye además debido a inductividades de potencia en la línea de tensión continua decae entonces completamente.
Por el documento WO2008/110129 A1 se conoce un convertidor de varios pasos, que está unido por medio de un conmutador de tensión continua con el circuito intermedio de tensión continua.
En la publicación de Norrga et al., “Converter Topologies for HVDC Grids”, así como la publicación de Wang et al., “Future HVDC-Grids employing Modular Multilevel Converters and Hybrid DC-Breakers” se describe en cada caso un conmutador de potencia de tensión continua. El conmutador de potencia de tensión continua descrito ahí comprende un generador de impulso de corriente y una rama de descargador en una conmutación en paralelo al mismo.
Son un estado de la técnica relevante para la presente invención, además, los documentos JP5622978 B1 y DE 10 2012209903 A1. Estos documentos tratan, asimismo, las temáticas de un cortocircuito en una red de CC de la ruta de circulación libre en el caso de una interrupción de un error en una red de CC.
Partiendo de la disposición de convertidor descrita, el objetivo de la invención consiste en mejorar adicionalmente la protección contra cortocircuitos de la disposición de convertidor.
El objetivo se soluciona mediante una disposición de convertidor de acuerdo con la reivindicación de patente 1. Por tanto, están previstos un conmutador de tensión continua en uno de los dos polos de tensión continua, así como una
ruta de circulación libre, que se extiende entre un primer enlace de tensión continua que se puede unir con el primer polo de tensión continua y un segundo enlace de tensión continua que se puede unir con el segundo polo de tensión continua y comprende un elemento semiconductor con una dirección de bloqueo y una dirección de paso.
La invención comprende tanto realizaciones bifásicas como trifásicas y multifásicas. A este respecto, la disposición de convertidor presenta, por ejemplo, en una realización trifásica una quinta y sexta rama de fase, que están dispuestas en el tipo de disposición de convertidor conocida.
De acuerdo con la invención, es evidentemente posible unir tanto el primer polo de tensión continua como el segundo polo de tensión continua con los correspondientes enlaces de tensión continua a través de en cada caso al menos un conmutador de tensión continua.
El primer polo de tensión continua puede estar realizado, por ejemplo, como una barra colectora positiva y el segundo polo de tensión continua como un conductor neutro. Es concebible además que estén realizados el primer polo de tensión continua como conductor neutro y el segundo polo de tensión continua como una barra colectora negativa. Correspondientemente son posibles también otras variantes, tales como por ejemplo que se sitúen el primer polo de tensión continua sobre uno positivo y el segundo polo de tensión continua sobre un potencial de alta tensión eléctrico negativo. La disposición de convertidor de acuerdo con la invención puede ser, además, parte de una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión (HGÜ) bipolar.
De manera conveniente, el elemento semiconductor está dispuesto en la ruta de circulación libre de tal modo que bloquea un flujo de corriente a través de la ruta de circulación libre en el funcionamiento normal de la disposición de convertidor.
Una ventaja de la disposición de convertidor de acuerdo con la invención es que el conmutador de tensión continua se puede usar para conmutar la corriente de cortocircuito que fluye en la línea de tensión continua después del puenteo de los submódulos a la ruta de circulación libre. De esta manera, la corriente de cortocircuito en el lado de tensión continua entonces de manera ventajosa no fluye por las ramas de módulo de fase de la disposición de convertidor, por lo que se mejora su protección.
De manera ventajosa, mediante la combinación de las unidades de puente y del conmutador de tensión continua ya no es necesario diseñar el conmutador de tensión continua o su tensión de bloqueo para la conmutación a plena tensión en el lado de tensión continua. Es más bien suficiente que el conmutador de tensión continua esté establecido únicamente para conmutar la corriente de cortocircuito a la ruta de circulación libre. Por ejemplo, puede ser suficiente, en lugar de una tensión de bloqueo de 320 kV, una tensión de bloqueo de ahora 10 kV. De este modo se reduce de manera ventajosa el esfuerzo de conmutación electrónico de potencia para el conmutador de tensión continua. Además, las pérdidas en un funcionamiento normal de la disposición de convertidor son relativamente bajas.
De acuerdo con la invención, la ruta de circulación libre comprende una conmutación en paralelo dispuesta en serie con respecto al elemento semiconductor con un elemento absorbedor de energía y un conmutador absorbedor dispuesto en paralelo al mismo. El elemento absorbedor de energía, que puede ser, por ejemplo, un elemento de resistencia, está establecido para disipar la energía de la corriente de cortocircuito, por ejemplo mediante la transformación en calor. De esta manera, se puede causar una decadencia más rápida de la corriente de cortocircuito en la línea de tensión continua. En una conmutación en paralelo al elemento absorbedor de energía está dispuesto el conmutador absorbedor, que es con preferencia un conmutador semiconductor. Puede estar realizado por ejemplo como una conmutación en paralelo de un semiconductor de potencia, en particular de un IGBT, y de un diodo antiparalelo. Una corriente de cortocircuito conmutada a la ruta de circulación libre fluye en el conmutador absorbedor que se encuentra en posición de paso por el conmutador absorbedor. Si este se desconecta, se puede conmutar la corriente de cortocircuito al elemento absorbedor de energía. De esta manera, se puede controlar adicionalmente el tiempo de decaimiento de la corriente de cortocircuito, que se denomina también como tiempo de desmagnetización. El tiempo de desmagnetización se puede ajustar libremente en particular mediante el número de los elementos de conmutación del conmutador absorbedor y la correspondiente tensión de absorbedor del elemento absorbedor de energía. Esto permite, a su vez, un dimensionamiento, mejorado con respecto a las pérdidas, de los demás elementos de la disposición de convertidor, tal como por ejemplo del conmutador de tensión continua.
Con preferencia, el conmutador absorbedor comprende una conmutación en serie de unidades de conmutación de absorbedor, que comprende en cada caso un conmutador de semiconductores de potencia y un diodo de libre circulación dispuesto de modo antiparalelo al mismo. De esta manera está realizado un modo constructivo modular, que es especialmente económico y fiable. Los conmutadores de semiconductores de potencia pueden estar realizados, por ejemplo, mediante conmutadores de IGBT, IGCT o GTO.
El elemento absorbedor de energía puede comprender también un descargador de sobretensión o una conmutación
en serie de descargadores de sobretensión. Una realización de este tipo tiene la ventaja de que está proporcionada una protección adicional de la disposición de convertidor.
La unidad de puente comprende de manera conveniente una rama de puente, que está dispuesta en paralelo a las dos conexiones o polos de los submódulos, de modo que independientemente de la dirección de la corriente se puede producir un cortocircuito en las conexiones. La unidad de puente puede estar unida con un equipo de control, por medio del que la unidad de puente se puede controlar, que puede conducir en particular, por tanto, el puenteo de los submódulos. Con preferencia, la unidad de puente comprende tiristores conmutados en paralelo. Para el puenteo independiente del convertidor de los submódulos, se disparan simultáneamente los tiristores. De esta manera se proporciona una unidad de puente especialmente económica y fiable.
Para la detección de un cortocircuito en la línea de tensión continua puede estar previsto un equipo de detección, por ejemplo una unidad de medición de corriente, que está unida por el lado de la salida por ejemplo con el equipo de control.
De acuerdo con una forma de realización ventajosa de la invención, el elemento semiconductor comprende en la ruta de circulación libre al menos un diodo y/o un tiristor. El diodo o el tiristor impide un cortocircuito entre los dos polos de tensión continua de la línea de tensión continua en un funcionamiento normal de la disposición de convertidor. El tiristor se dispara de manera adecuada en un caso de cortocircuito para posibilitar la corriente de cortocircuito por la ruta de circulación libre. De manera adecuada, la ruta de circulación libre presenta una polaridad opuesta a un potencial nominal. De esta manera, la ruta de circulación libre no guía en un funcionamiento normal de la disposición de convertidor de acuerdo con la dirección de paso seleccionada del diodo esencialmente ninguna corriente. El elemento semiconductor puede estar formado también por una conmutación en serie de varios diodos y/o tiristores.
Los submódulos de la disposición de convertidor pueden estar construidos todos de igual modo, aunque no tienen necesariamente que estarlo.
Con preferencia, los submódulos están realizados como conmutaciones de medio puente. Tales conmutaciones de medio puente se describen, por ejemplo, en el documento DE 101 03031 B4. Debido a las pérdidas relativamente pequeñas, los submódulos de este tipo están en funcionamiento de manera especialmente económica. Los conmutadores de semiconductores de potencia de los submódulos son de manera adecuada semiconductores de potencia desconectables, tales como por ejemplo IGBT, GTO o similares.
De acuerdo con una forma de realización de la invención, el conmutador de tensión continua comprende al menos un módulo de conmutación de semiconductores de potencia con un conmutador de semiconductores de potencia. El conmutador de semiconductores de potencia es por ejemplo un denominado conmutador de estado sólido con un transistor bipolar de puerta integrada (IGBT), al que está conmutado de modo antiparalelo un diodo de libre circulación. El conmutador de tensión continua puede comprender una conmutación en serie de varios módulos de conmutación de semiconductores de potencia de este tipo. El número de los módulos de conmutación de semiconductores de potencia en la conmutación en serie está adaptado de manera adecuada a la respectiva aplicación. Los módulos de conmutación de semiconductores de potencia se desconectan en el caso de cortocircuito por ejemplo por medio de un control establecido para ello, de modo que la corriente de cortocircuito puede conmutar a la ruta de circulación libre.
Preferentemente, el conmutador de tensión continua presenta una conmutación en serie a partir del al menos un módulo de conmutador de semiconductor de potencia y al menos un conmutador seccionador. El conmutador seccionador puede ser un conmutador mecánico. Por medio del conmutador seccionador se puede interrumpir la línea de tensión continua, después de que la corriente en el conmutador seccionador haya decaído. Después de la apertura del conmutador seccionador se puede interrumpir también la corriente de cortocircuito en el lado de tensión alterna de manera sencilla, por ejemplo mediante un bloqueo de las unidades de puente.
El conmutador de tensión continua puede comprender, además, al menos un descargador de sobretensión. El al menos un descargador de sobretensión puede estar dispuesto, por ejemplo, en paralelo al al menos un módulo de conmutación de semiconductores de potencia o de la conmutación en serie de módulos de conmutación de semiconductores de potencia. El descargador de sobretensión limita la tensión que decae a través de los módulos de conmutación de semiconductores de potencia y se puede usar, además, como un elemento que absorbe energía. Como ya se comentó anteriormente, la resistencia dieléctrica o capacidad de bloqueo del conmutador de tensión continua de la disposición de convertidor de acuerdo con la invención no tiene que estar diseñada en un valor nominal de tensión en el lado de tensión continua, es decir, la tensión que decae durante un funcionamiento normal entre las dos conexiones de tensión continua. Preferentemente, la resistencia dieléctrica del conmutador de tensión continua asciende a menos del 40 %, con preferencia a entre el 5 % y el 20 % del valor nominal de tensión. Esto disminuye las pérdidas eléctricas y, con ello, los costes operativos de la disposición de convertidor. En un caso
concreto de una tensión de 300 kV a 400 kV, por ejemplo 320 kV, es suficiente que el conmutador de tensión continua presente una resistencia dieléctrica que es menor de 20 kV, preferentemente menor de 10 kV.
La invención se refiere, además, a un procedimiento para la protección contra cortocircuitos de la disposición de convertidor de acuerdo con la invención.
El objetivo de la invención consiste en proponer un procedimiento de este tipo que sea lo más sencillo y fiable posible.
La invención soluciona este objetivo mediante un procedimiento en el que se puentean independientemente de la dirección de corriente en un cortocircuito en el lado de tensión continua todos los submódulos, con lo cual se desconecta el conmutador de tensión continua, de modo que una corriente de cortocircuito en el lado de tensión continua se conmuta a la ruta de circulación libre.
En el procedimiento de acuerdo con la invención se genera, por tanto, en un caso de cortocircuito en el lado de tensión continua por medio de las unidades de puente un cortocircuito en el lado de tensión alterna en la disposición de convertidor, después de lo cual por medio del conmutador de tensión continua se conmuta activamente la corriente de cortocircuito de las ramas de módulo de fase de la disposición de convertidor a la ruta de circulación libre.
Las ventajas del procedimiento de acuerdo con la invención resultan de las ventajas descritas anteriormente de la disposición de convertidor de acuerdo con la invención.
Preferentemente, el conmutador absorbedor dispuesto en la ruta de circulación libre se desconecta, de modo que una corriente en la ruta de circulación libre se conmuta al elemento absorbedor de energía dispuesto en paralelo al conmutador absorbedor. La desconexión se efectúa, a este respecto, como ya se describió antes, después de que la corriente de cortocircuito se haya conmutado a la ruta de circulación libre y permite un ajuste independiente del tiempo de desmagnetización en la ruta de circulación libre.
A continuación se debe explicar con más detalle la invención mediante las Figuras 1 a 5.
la Figura 1 muestra un primer ejemplo de realización de una disposición de convertidor de acuerdo con la invención en representación esquemática;
la Figura 2 muestra un segundo ejemplo de realización de la disposición de convertidor de acuerdo con la invención en representación esquemática;
la Figura 3 muestra un submódulo bipolar de la disposición de convertidor de las Figuras 1 y 2 en representación esquemática;
la Figura 4 muestra el desarrollo esquemático de corrientes en la disposición de convertidor de la Figura 1;
la Figura 5 muestra el desarrollo esquemático de corrientes en la disposición de convertidor de la Figura 2.
En detalle se representa en la Figura 1 un ejemplo de realización de una disposición de convertidor 1 de acuerdo con la invención. La disposición de convertidor 1 comprende tres conexiones de tensión alterna 2, 3 y 4, que están establecidas para unir la disposición de convertidor 1 con una red de tensión alterna trifásica. Además, la disposición de convertidor 1 comprende una primera conexión de tensión continua 5 y una segunda conexión de tensión continua 6 para la unión con una línea de tensión continua 7, en concreto con un primer enlace de tensión continua 71 o un segundo enlace de tensión continua 72. La disposición de convertidor 1 está configurada, no obstante, en el presente ejemplo de realización de manera trifásica, no estando limitada la invención evidentemente a una realización trifásica. La misma comprende una primera rama de fase 8, que se extiende entre un primer polo de tensión continua 51 y la primera conexión de tensión alterna 2, una segunda rama de módulo de fase 9, que se extiende entre la primera conexión de tensión alterna 2 y un segundo polo de tensión continua 61, una tercera rama de módulo de fase 10, que se extiende entre el primer polo de tensión continua 51 y una segunda conexión de tensión alterna 3, una cuarta rama de módulo de fase 11, que se extiende entre la segunda conexión de tensión alterna y el segundo polo de tensión continua 61, una quinta rama de módulo de fase 12, que se extiende entre el primer polo de tensión continua 51 y la tercera conexión de tensión alterna 4, así como una sexta rama de módulo de fase 13, que se extiende entre la tercera conexión de tensión alterna 4 y el segundo polo de tensión continua 61. El primer polo de tensión continua 51 está unido con la primera conexión de tensión continua 5. El segundo polo de tensión continua 61 está unido con la segunda conexión de tensión continua 6.
La primera rama de módulo de fase 8 comprende una primera conmutación en serie de submódulos 14 bipolares, así como un estrangulador de suavizado 15 dispuesto en serie con respecto a la conmutación en serie de los
submódulos 14 bipolares. Correspondientemente, las ramas de módulo de fase 9, 10, 11, 12, 13 comprenden en cada caso una conmutación en serie de los submódulos 14 y un estrangulador de suavizado 15 conmutado en serie con respecto a los mismos. En el ejemplo de realización representado en la Figura 1 de la disposición de convertidor 1 presenta cada una de las ramas de módulo de fase 8-13 tres submódulos 14. El número de submódulos 14 en cada rama de módulo de fase está adaptado en general, no obstante, a la respectiva aplicación de la disposición de convertidor 1 y puede ser cualquier número.
En el ejemplo de realización representado en la Figura 1, todos los submódulos 14 de la disposición de convertidor 1 están construidos de igual modo. Las ramas de módulo de fase 8-13 configuran junto con las conexiones de tensión alterna 2-4 y las conexiones de tensión continua 5, 6, no obstante, un denominado convertidor de varios pasos modular (MMC). Un convertidor de este tipo se conoce, por ejemplo, por el documento DE 10103031 B4. Por medio de un control adecuado (en la Figura 1 no representado) se puede generar en las ramas de módulo de fase 8-13 una tensión predefinida, de modo que en el lado de tensión continua de las ramas de módulo de fase 8-13 decae una tensión UDC.
La disposición de convertidor 1 comprende, además, un conmutador de tensión continua 16, que está dispuesto entre un punto de potencial 51 entre la primera rama de módulo de fase 8 y la tercera rama de módulo de fase 10 y la primera conexión de tensión continua 5. El conmutador de tensión continua 16 presenta una conmutación en serie de módulos de conmutación de semiconductores de potencia 17, presentando cada módulo de conmutación de semiconductores de potencia 17 un IGBT 18, así como un diodo de libre circulación 19 conmutado de modo antiparalelo al mismo. En conmutación en paralelo con respecto a los módulos de conmutación de semiconductores de potencia 17 está dispuesto un descargador de sobretensión 20. En serie con respecto a los módulos de conmutación de semiconductores de potencia 17 está dispuesto, además, un conmutador seccionador 21, que en el ejemplo de realización representado es un conmutador mecánico.
La disposición de convertidor 1 comprende además una ruta de circulación libre 22. La ruta de circulación libre 22 está dispuesta en paralelo a las ramas de módulo de fase 8-13 y se extiende entre los dos enlaces de tensión continua 71, 72. La ruta de circulación libre 22 presenta, además, un elemento semiconductor 23, que está realizado como un diodo de semiconductor. Además, la ruta de circulación libre 22 presenta un elemento absorbedor de energía 24, que está dispuesto en serie con respecto al elemento semiconductor 23.
Una disposición de convertidor 1 de este tipo se puede proteger contra daños en particular en un caso de cortocircuito en el lado de tensión continua. El cortocircuito está indicado en la Figura 1 por la flecha dentada 25. En la siguiente Figura 4 se debe hacer referencia en más detalle al modo de funcionamiento de la disposición de convertidor 1, así como a su función de protección, denominándose con IDC1 la corriente por el conmutador de tensión continua 16, denominándose con IDC2 la corriente en línea de tensión continua 7 y denominándose con IDC3 la corriente en la ruta de circulación libre 22.
Los submódulos 14 de la disposición de convertidor 1 de la Figura 1 están realizados como conmutaciones de medio puente.
En la Figura 2 se representa un segundo ejemplo de realización de una disposición de convertidor 101 de acuerdo con la invención.
Los elementos iguales o de igual tipo de las disposiciones de convertidor 1 y 101 están dotados de los mismos signos de referencia por razones de claridad.
A diferencia de la disposición de convertidor 1, la ruta de circulación libre 22 de la disposición de convertidor 101 presenta una conmutación en paralelo 102 dispuesta en serie con respecto al elemento semiconductor 23 con un elemento absorbedor de energía 24 y un conmutador absorbedor 103 dispuesto en paralelo al mismo. El elemento absorbedor de energía 24 es un descargador de sobretensión. El conmutador absorbedor 102 comprende una conmutación en serie de conmutadores de semiconductores de potencia 104, en el ejemplo de realización representado los IGBT, cuyo en cada caso un diodo de libre circulación 105 está conmutado de modo antiparalelo. En la Figura 2, la conmutación en serie presenta dos conmutadores de semiconductores de potencia 104, cuyo número puede variar, no obstante, con la respectiva aplicación y es en principio discrecional.
El modo de funcionamiento de la disposición de convertidor 101, así como su función de protección, es similar a la de la disposición de convertidor 1. En la siguiente Figura 5 se debe hacer referencia en más detalle al modo de funcionamiento de la disposición de convertidor 101, así como a su función de protección. Como antes, se denominan, a este respecto, con IDC1 la corriente por el conmutador de tensión continua 16, con IDC2 la corriente en línea de tensión continua 7 y con IDC3 la corriente en la ruta de circulación libre 22.
La Figura 3 muestra la construcción en principio de uno de los submódulos 14 de la disposición de convertidor 1 o
101 de las Figuras 1 o 2. El submódulo 14 comprende un primer borne de conexión 26 y un segundo borne de conexión 27. Además, el submódulo 14 comprende dos unidades de conmutación de semiconductores de potencia 28 conmutadas en serie. Cada una de las dos unidades de conmutación de semiconductores de potencia 28 comprende un conmutador de semiconductores de potencia 29, que es en el ejemplo de realización representado en la Figura 2 un IGBT, así como un diodo de libre circulación 30 conmutado de modo antiparalelo al mismo. En paralelo a la conmutación en serie de las unidades de conmutación de semiconductores de potencia 28 está dispuesto un acumulador de energía 31, que en el presente ejemplo de realización del submódulo 14 es un condensador de potencia. En el condensador de potencia 31 decae una tensión, que se denomina en la Figura 2 con UC.
El segundo borne de conexión 27 del submódulo 14 está unido con un polo del condensador de potencia 31, el primer borne de conexión 26 del submódulo 14 está unido con un punto de potencial 32 entre las dos unidades de conmutación de semiconductores de potencia 28.
El submódulo 14 comprende además una unidad de puente 33, que está unida con las conexiones 26, 27 de tal modo que puede puentear el submódulo 14 o cortocircuitar los dos bornes de conexión 26, 27. La unidad de puente 33 presenta dos tiristores 34 y 35 conmutados de modo antiparalelo, que pueden proporcionar un puenteo, dependiente de la dirección de corriente, del submódulo 40. Para el puenteo del submódulo 14 se controlan los dos tiristores por medio de una unidad de control no representada para que se disparen al mismo tiempo.
La Figura 4 muestra un esquema del desarrollo temporal de las tres corrientes IDC1, IDC2 y IDC3 del ejemplo de realización de la disposición de convertidor 1 de la Figura 1 en un diagrama 36. En la abscisa t del diagrama 36 se representa el tiempo transcurrido y en la ordenada I los valores de corriente en momentos dados. La dirección de la corriente de las tres corrientes IDC1, IDC2, IDC3 en el funcionamiento normal está indicada en la Figura 1 por correspondientes flechas.
En un momento que está caracterizado en el diagrama 36 como una línea t1 discontinua, aparece un error, por ejemplo un cortocircuito en la línea de tensión continua 7. A partir de este momento aumentan las corrientes IDC1 e iDC2. Hasta un momento que está caracterizado como una línea t2 discontinua, coinciden los valores de las corrientes IDC1 e IDC2. Se puede reconocer que debido a la polaridad del diodo 23, contrariamente al potencial nominal presente durante el funcionamiento normal, la ruta de circulación libre está esencialmente sin corriente durante el funcionamiento normal.
En el momento denominado con t2 se detecta el error por medio de un equipo de reconocimiento de errores adecuado. Después se controlan todas las unidades de puente 33 en las ramas de módulo de fase 8 a 13, que puentean sus submódulos 14 asignados, es decir, los tiristores 34 y 35 se disparan en cada submódulo 14. De esta manera se cortocircuitan las fases de la red de tensión alterna unida en el lado de tensión alterna con las conexiones de tensión alterna 2, 3, 4. En otras palabras, se separa la red de tensión alterna del lado de tensión continua de modo que la corriente de cortocircuito ya no se alimenta desde la red de tensión alterna, es decir, ya no se puede abastecer con energía. A partir de este momento disminuyen los valores de las corrientes IDC1 e IDC2.
En un momento caracterizado con la línea t3 discontinua se controlan los conmutadores de semiconductores de potencia 18 de los módulos de conmutación de semiconductores de potencia 17 para desconectarse. Debido a la tensión de bloqueo del conmutador de semiconductores de potencia 17 se conmuta la corriente con ayuda del descargador de sobretensión 20, que puede estar realizado también como una conmutación en serie de descargadores de sobretensión, a la ruta de circulación libre 22. A partir de este momento disminuye el valor de la corriente IDC1 muy rápido hasta cero.
En cuanto IDC1 haya disminuido hasta cero o casi cero, lo que ocurre en la Figura 3 en un momento que está indicado por una línea discontinua caracterizada con t4, se puede abrir el conmutador seccionador 21 mecánico. La corriente de cortocircuito IDC3 que queda en la línea de tensión continua 7, cuyo valor se corresponde entonces con el valor de la corriente IDC2, fluye a partir de este momento completamente a través de la ruta de circulación libre 22. IDC3 decae de manera correspondiente a una constante de r L de la línea de tensión continua 7. El decaimiento de la corriente IDC3 se acelera adicionalmente por el elemento absorbedor de energía 24.
En la Figura 5 se muestra un esquema del desarrollo temporal de las tres corrientes IDC1, IDC2 e IDC3 del ejemplo de realización de la disposición de convertidor 101 de la Figura 2 en un diagrama 37. En la abscisa t del diagrama 37 se representa el tiempo transcurrido y en la ordenada I los valores de corriente en momentos dados. La dirección de la corriente de las tres corrientes IDC1, IDC2, IDC3 en el funcionamiento normal está indicada en la Figura 2 por correspondientes flechas.
En un momento que está caracterizado en el diagrama 37 como una línea t1 discontinua, aparece un error, por ejemplo un cortocircuito en la línea de tensión continua 7. A partir de este momento aumentan las corrientes IDC1 e iDC2. Hasta un momento que está caracterizado como línea t2 discontinua, coinciden los valores de las corrientes
IDC1 e IDC2. Se puede reconocer que debido a la polaridad del diodo 23, contrariamente al potencial nominal presente durante el funcionamiento normal, la ruta de circulación libre está esencialmente sin corriente durante el funcionamiento normal y entre los momentos t1 y t2 la corriente IDC3 presenta una magnitud relativamente pequeña. En el momento denominado con t2 se detecta el error por medio de un equipo de reconocimiento de errores adecuado. Después se controlan todas las unidades de puente 33 en las ramas de módulo de fase 8 a 13 de la disposición de convertidor 101, que puentean sus submódulos 14 asignados, es decir, los tiristores 34 y 35 se disparan en cada submódulo 14. De esta manera se cortocircuitan las fases de la red de tensión alterna unida en el lado de tensión alterna con las conexiones de tensión alterna 2, 3, 4. En otras palabras, se separa la red de tensión alterna del lado de tensión continua de modo que la corriente de cortocircuito ya no se alimenta desde la red de tensión alterna, es decir, ya no se puede abastecer con energía. A partir de este momento disminuyen los valores de las corrientes IDC1 e IDC2.
En un momento caracterizado con la línea t3 discontinua se controlan los conmutadores de semiconductores de potencia 18 de los módulos de conmutación de semiconductores de potencia 17 para desconectarse. Debido a la tensión de bloqueo del conmutador de semiconductores de potencia 17 se conmuta la corriente con ayuda del descargador de sobretensión 20, que puede estar realizado también como una conmutación en serie de descargadores de sobretensión, a la ruta de circulación libre 22. A partir de este momento disminuye el valor de la corriente IDC1 muy rápido hasta cero.
En cuanto IDC1 haya disminuido hasta cero o casi cero, lo que ocurre en la Figura 3 en un momento que está indicado por una línea discontinua caracterizada con t4, se puede abrir el conmutador seccionador 21 mecánico. La corriente de cortocircuito IDC3 que queda en la línea de tensión continua 7, cuyo valor se corresponde entonces con el valor de la corriente IDC2, fluye a partir de este momento completamente a través de la ruta de circulación libre 22. IDC3 decae de manera correspondiente a una constante de RL de la línea de tensión continua 7.
En un momento que está caracterizado en la Figura 5 con una línea t5 discontinua se controlan los conmutadores de semiconductores de potencia 104 del conmutador absorbedor 103 para desconectarse. En este momento, el lado de CA está separado completamente del lado de CC. Mediante la desconexión del conmutador absorbedor 103 se conmuta la corriente IDC3 al elemento absorbedor de energía 24. La corriente de cortocircuito decae rápidamente. El tiempo de desmagnetización se puede ajustar libremente, a este respecto, mediante el número del conmutador de semiconductores de potencia 104 y la característica de tensión del elemento absorbedor de energía 24, en el ejemplo de la Figura 2 del descargador de sobretensión.
Claims (10)
1. Disposición de convertidor (1, 101) con
- un primer módulo de fase que se extiende entre un primer y un segundo polo de tensión continua (51, 61), que presenta una primera conexión de tensión alterna (2), el cual comprende una primera rama de módulo de fase (8) que se extiende entre la primera conexión de tensión alterna (2) y el primer polo de tensión continua (51) y una segunda rama de módulo de fase (9) que se extiende entre la primera conexión de tensión alterna (2) y el segundo polo de tensión continua (61),
- un segundo módulo de fase que se extiende entre el primer y el segundo polo de tensión continua (51, 61), que presenta una segunda conexión de tensión alterna (3), el cual comprende una tercera rama de módulo de fase (10) que se extiende entre la segunda conexión de tensión alterna (3) y el primer polo de tensión continua (51) y una cuarta rama de módulo de fase (11) que se extiende entre la segunda conexión de tensión alterna (3) y el segundo polo de tensión continua (61),
comprendiendo cada una de las ramas de módulo de fase (8, 9, 10, 11) una conmutación en serie de submódulos (14) bipolares, comprendiendo cada submódulo al menos dos conmutadores de semiconductores de potencia (28, 29) conmutados en serie y un acumulador de energía (31) y pudiendo puentearse por medio de una unidad de puente (33) dispuesta en paralelo a sus bornes de conexión independientemente de la dirección de corriente, - un conmutador de tensión continua (16) en uno de los dos polos de tensión continua (51,61), caracterizada por
- una ruta de circulación libre (22), que se extiende entre un primer enlace de tensión continua (71), que se puede unir con el primer polo de tensión continua (51), y un segundo enlace de tensión continua (72), que se puede unir con el segundo polo de tensión continua (61) y comprende un elemento semiconductor (23) con una dirección de bloqueo y una dirección de paso,
comprendiendo la ruta de circulación libre (22) una conmutación en paralelo (102) dispuesta en serie con respecto al elemento semiconductor (23) con un elemento absorbedor de energía (24) y un conmutador absorbedor (103) dispuesto en paralelo al mismo.
2. Disposición de convertidor (101) según la reivindicación 1, comprendiendo el conmutador absorbedor (103) una conmutación en serie de unidades de conmutación de absorbedor, que comprenden en cada caso un conmutador de semiconductores de potencia (104) y un diodo de libre circulación (105) dispuesto de modo antiparalelo al mismo.
3. Disposición de convertidor (1, 101) según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo la unidad de puente (33) tiristores (34, 35) conmutados de modo antiparalelo.
4. Disposición de convertidor (1, 101) según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el elemento semiconductor (23) en la ruta de circulación libre al menos un diodo y/o un tiristor.
5. Disposición de convertidor (1, 101) según una de las reivindicaciones anteriores, estando realizados los submódulos (14) como conmutaciones de medio puente.
6. Disposición de convertidor (1, 101) según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el conmutador de tensión continua (16) al menos un módulo de conmutación de semiconductores de potencia (17) con un conmutador de semiconductores de potencia (18).
7. Disposición de convertidor (1, 101) según la reivindicación 6, presentando el conmutador de tensión continua (16) una conmutación en serie a partir del al menos un módulo de conmutación de semiconductores de potencia (17) y al menos un conmutador seccionador (21).
8. Disposición de convertidor (1, 101) según la reivindicación 6 o 7, comprendiendo el conmutador de tensión continua (16) un descargador de sobretensión (20), que está dispuesto en paralelo al al menos un módulo de conmutación de semiconductores de potencia (17).
9. Disposición de convertidor (1, 101) según una de las reivindicaciones anteriores, presentando el conmutador de tensión continua (16) una resistencia dieléctrica, que es menor de 20 kV.
10. Procedimiento para la protección contra cortocircuitos de una disposición de convertidor (1, 101) según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que en el caso de cortocircuito en el lado de la tensión continua todos los submódulos (14) se puentean independientemente de la dirección de corriente, con lo que el conmutador de tensión
continua (16) se desconecta,
de modo que una corriente de cortocircuito en el lado de tensión continua se conmuta a la ruta de circulación libre (22), desconectándose un conmutador absorbedor (103) dispuesto en la ruta de circulación libre (22), de modo que una corriente en la ruta de circulación libre (22) se conmuta a un elemento absorbedor de energía (24) dispuesto en paralelo al conmutador absorbedor (103).
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