ES2883651T3 - Convertidor de corriente de múltiples niveles - Google Patents
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Abstract
Convertidor de corriente de múltiples niveles (800) con un módulo de fases (400), que está dispuesto entre una primera conexión de tensión continua (16) y una segunda conexión de tensión continua (17) del convertidor de corriente de múltiples niveles y que presenta una pluralidad de módulos (1_1... 1_n; 2_1 ... 2_n), en donde el módulo de fases (400) presenta una primera derivación de módulo de fases (11), que está conectada con la primera conexión de tensión continua (16), y presenta una segunda derivación de módulo de fases (13), que está conectada con la segunda conexión de tensión continua (17), y en donde los módulos (1_1...1_n; 2_1 ... 2_n) presentan en cada caso al menos dos elementos de conexión (902, 906) electrónicos y un acumulador de energía (910) eléctrico, con una tercera derivación de módulo de fases (404), que conecta la primera derivación de módulo de fases (11) con la segunda derivación de módulo de fases (13), y un dispositivo de conmutación (420), que en una primera posición de conmutación conecta una conexión de tensión alterna (5) del módulo de fases (400) con un primer punto de conexión (412) entre la primera derivación de módulo de fases (11) y la tercera derivación de módulo de fases (404) y en una segunda posición de conmutación conecta la conexión de tensión alterna (5) con un segundo punto de conexión (416) entre la tercera derivación de módulo de fases (404) y la segunda derivación de módulo de fases (13), y en donde el convertidor de corriente de múltiples niveles presenta tres módulos de fases de este tipo, caracterizado por que el dispositivo de conmutación (420) presenta un primer conmutador (424) electrónico de potencia y un segundo conmutador (428) electrónico de potencia, en donde el primer conmutador (424) electrónico de potencia presenta tiristores (T1, T2) conectados de manera antiparalela y el segundo conmutador (428) electrónico de potencia presenta tiristores (T3, T4) conectados de manera antiparalela.
Description
DESCRIPCIÓN
Convertidor de corriente de múltiples niveles
La invención se refiere a un convertidor de corriente de múltiples niveles con un módulo de fases, que está dispuesto entre una primera conexión de tensión continua y una segunda conexión de tensión continua del convertidor de corriente de múltiples niveles y que presenta una pluralidad de módulos, en donde el módulo de fases presenta una primera derivación de módulo de fases, que está conectada con la primera conexión de tensión continua, y presenta una segunda derivación de módulo de fases, que está conectada con la segunda conexión de tensión continua, y en donde los módulos presentan en cada caso al menos dos elementos de conexión electrónicos y un acumulador de energía eléctrico, y en donde el convertidor de corriente de múltiples niveles presenta tres módulos de fase de este tipo.
Además, la invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de un convertidor de corriente de múltiples niveles. Un convertidor de corriente de múltiples niveles (que se denomina también convertidor de corriente de múltiples niveles modular) es un circuito electrónico de potencia para la conversión de energía eléctrica. Con un convertidor de corriente de múltiples niveles puede convertirse por ejemplo corriente alterna en corriente continua o corriente continua en corriente alterna. Un convertidor de corriente de múltiples niveles presenta una pluralidad de módulos del mismo tipo, que están conectados eléctricamente en serie. Mediante la conexión eléctrica en serie de los módulos pueden conseguirse altas tensiones de partida. Un convertidor de corriente de múltiples niveles puede adaptarse (escalarse) fácilmente a las distintas tensiones y una tensión de partida deseada puede generarse de manera relativamente precisa. Un convertidor de corriente de múltiples niveles puede usarse ventajosamente en el intervalo de alta tensión, por ejemplo como convertidor de corriente en una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión o como instalación de compensación de potencia reactiva.
El número de módulos en el circuito eléctrico en serie puede seleccionarse de modo que el convertidor de corriente de múltiples niveles puede generar la tensión de partida necesaria. Además, el número de módulos en el circuito en serie debe ser, sin embargo, también grande de modo que en todos los estados de funcionamiento del convertidor de corriente de múltiples niveles no sobrepase la tensión que está en contacto con los módulos la tensión del módulo admisible como máximo. Por tanto deben estar presentes más módulos en el circuito en serie que los que serían necesarios para la generación de una tensión de partida predeterminada. Esto origina altos costes, altas potencias perdidas y una forma de construcción grande del convertidor de corriente de múltiples niveles.
La invención se basa en el objetivo de indicar un convertidor de corriente de múltiples niveles y un procedimiento, en los que puede reducirse el número de módulos.
Este objetivo se soluciona de acuerdo con la invención mediante un convertidor de corriente de múltiples niveles y mediante un procedimiento según las reivindicaciones independientes. Formas de realización ventajosas del convertidor de corriente de múltiples niveles y del procedimiento están indicados en las reivindicaciones dependientes.
Se divulga un convertidor de corriente de múltiples niveles con un módulo de fases, que está dispuesto entre una primera conexión de tensión continua y una segunda conexión de tensión continua del convertidor de corriente de múltiples niveles y que presenta una pluralidad de módulos, en donde el módulo de fases presenta una primera derivación de módulo de fases, que está conectada con la primera conexión de tensión continua, y presenta una segunda derivación de módulo de fases, que está conectada con la segunda conexión de tensión continua, y en donde los módulos presentan en cada caso al menos dos elementos de conexión electrónicos y un acumulador de energía eléctrico, y en donde el convertidor de corriente de múltiples niveles presenta tres módulos de fase de este tipo.
El convertidor de corriente de múltiples niveles presenta una tercera derivación de módulo de fases, que conecta la primera derivación de módulo de fases con la segunda derivación de módulo de fases, y un dispositivo de conmutación, que en una primera posición de conmutación conecta (eléctricamente) una conexión de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles con un primer punto de conexión entre la primera derivación de módulo de fases y la tercera derivación de módulo de fases y en una segunda posición de conmutación conecta la conexión de tensión alterna con un segundo punto de conexión entre la tercera derivación de módulo de fases y la segunda derivación de módulo de fases. Dicho con otras palabras, está configurado el dispositivo de conmutación para conectar (eléctricamente) en una primera posición de conmutación una conexión de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles con un primer punto de conexión entre la primera derivación de módulo de fases y la tercera derivación de módulo de fases y conectar (eléctricamente) en una segunda posición de conmutación la conexión de tensión alterna con un segundo punto de conexión entre la tercera derivación de módulo de fases y la segunda derivación de módulo de fases. El primer punto de conexión es el punto de conexión (común) de la primera derivación de módulo de fases y la tercera derivación de módulo de fases. El primer punto de conexión es por tanto un punto en el que la primera derivación de módulo de fases está conectada eléctricamente con la tercera derivación de módulo de fases. El segundo punto de conexión es el punto de conexión (común) de la tercera derivación de módulo de fases y la segunda derivación de módulo de fases. El segundo punto de conexión es por tanto el punto en el que la tercera derivación de módulo de fases está conectada eléctricamente con la segunda derivación de módulo de fases.
A este respecto es especialmente ventajoso que el dispositivo de conmutación conecte eléctricamente la conexión de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles o bien con el primer punto de conexión o con el segundo punto de conexión. Debido a ello puede aumentarse o reducirse el número de módulos entre la conexión de tensión alterna y la primera conexión de tensión continua según la necesidad en el número de módulos de la tercera derivación de módulo de fases. Igualmente puede aumentarse o reducirse el número de módulos entre la conexión de tensión alterna y la segunda conexión de tensión continua en el número de módulos de la tercera derivación de módulo de fases. Dicho con otras palabras, pueden asignarse por tanto los módulos de la tercera derivación de módulo de fases según la necesidad a la primera derivación de módulo de fases o a la segunda derivación de módulo de fases. Estos módulos de la tercera derivación de módulo de fases tiene por tanto un doble función. Dependiendo de la posición de conmutación del dispositivo de conmutación se conectan estos módulos entre la conexión de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles y la primera conexión de tensión continua o se conectan entre la conexión de tensión alterna y la segunda conexión de tensión continua. Los módulos de la tercera derivación de módulo de fases se usan por tanto para la generación de distintas tensiones del convertidor de corriente de múltiples niveles. Mediante la posibilidad de la conmutación entre la primera posición de conmutación y la segunda posición de conmutación necesitan estar presentes los módulos de la tercera derivación de módulo de fases solo una vez. (En el convertidor de corriente de múltiples niveles conocido hasta ahora deben estar presentes los módulos dos veces, concretamente una vez en la primera derivación de módulo de fases /en el lado positivo), otra vez en la segunda derivación de módulo de fases (en el lado negativo).) Debido a ello puede reducirse claramente el número de módulos necesarios por módulo de fases. Esto conduce también a una clara reducción del tamaño del convertidor de corriente de múltiples niveles, de las pérdidas de convertidor de corriente y de los costes. Es posible ahorrar el 25 % de los módulos necesarios. Además puede realizarse por medio del dispositivo de conmutación una rápida aclaración de fallos. También cuando se usa el término "posición de conmutación", esto no significa que el dispositivo de conmutación deba ser necesariamente un dispositivo de conmutación mecánico. Más bien está previsto ventajosamente que el dispositivo de conmutación pueda ser un dispositivo de conmutación electrónico de potencia, véase a continuación.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado de modo que el dispositivo de conmutación en la segunda posición de conmutación separa (eléctricamente) la conexión de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles del primer punto de conexión y en la primera posición de conmutación separa (eléctricamente) la conexión de tensión alterna del segundo punto de conexión. Dicho generalmente, el dispositivo de conmutación conecta la conexión de tensión alterna en cualquier posición de conmutación en cada caso solo como máximo con un punto de conexión (correspondiente a la posición de conmutación) (y separa la conexión de tensión alterna de los otros puntos de conexión en cada caso.) El dispositivo de conmutación conecta por tanto (en sus posiciones de conmutación) la conexión de tensión alterna en cada caso de manera exclusiva con un punto de conexión (correspondiente a la posición de conmutación). Naturalmente puede proporcionarse también una posición de conmutación, en la que la conexión de tensión alterna está separada de todos los puntos de conexión.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar también configurado de modo que la primera derivación de módulo de fases, la segunda derivación de módulo de fases y la tercera derivación de módulo de fases presentan en cada caso al menos dos de los módulos, en particular en cada caso al menos cinco de los módulos, en una conexión en serie.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado también de modo que el dispositivo de conmutación presenta (como elementos de conmutación) tiristores. Por medio de los tiristores puede realizarse la conmutación entre el primer punto de conexión y el segundo punto de conexión de manera especialmente rápida.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado también de modo que
- el dispositivo de conmutación presente un primer conmutador electrónico de potencia, que en la primera posición de conmutación del dispositivo de conmutación conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el primer punto de conexión y en la segunda posición de conmutación del dispositivo de conmutación separa (eléctricamente) la conexión de tensión alterna del primer punto de conexión y
- el dispositivo de conmutación presente un segundo conmutador electrónico de potencia, que en la segunda posición de conmutación del dispositivo de conmutación conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el segundo punto de conexión y en la primera posición de conmutación del dispositivo de conmutación separa (eléctricamente) la conexión de tensión alterna del segundo punto de conexión. Con los dos conmutadores electrónicos de potencia del dispositivo de conmutación puede realizarse la conmutación entre el primer punto de conexión y del segundo punto de conexión de manera especialmente sencilla y rápida.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado de modo que el primer conmutador electrónico de potencia y el segundo conmutador electrónico de potencia presenten en cada caso tiristores.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado también de modo que el primer conmutador electrónico de potencia y el segundo conmutador electrónico de potencia presenten en cada caso tiristores conectados de manera antiparalela. Debido a ello pueden conmutar los conmutadores electrónicos de potencia la corriente alterna
que fluye por la conexión de tensión alterna con ambas polaridades.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado de modo que al menos un módulo de la tercera derivación de módulo de fases está configurado de modo que éste puede emitir una tensión de polaridad positiva o negativa. Esto fomenta ventajosamente en particular el proceso de desconexión de los tiristores. A este respecto es especialmente ventajoso que el al menos un módulo pueda generar y emitir tanto una tensión negativa como también una tensión positiva. Por medio de esta tensión puede realizarse de manera segura y eficaz la conmutación de la corriente que fluye a través de la conexión de tensión alterna desde el primer punto de conexión hasta el segundo punto de conexión. Esto puede realizarse por ejemplo debido a que por medio del módulo se genera una tensión dirigida en contra del flujo de corriente original como tensión de conmutación.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado de modo que al menos un módulo de la tercera derivación de módulo de fases presente un circuito de puente integral. A este respecto es especialmente ventajoso que el al menos un módulo con circuito de puente integral pueda generar y emitir tanto una tensión negativa como también una tensión positiva. Esto fomenta la conmutación, tal como se ha indicado anteriormente.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado de modo que el circuito de puente integral presenta cuatro elementos de conmutación electrónicos y un acumulador de energía eléctrico.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado también de modo que la tercera derivación de módulo de fases presente varias derivaciones parciales conectadas eléctricamente en serie, y el dispositivo de conmutación presente una tercera posición de conmutación, en la que la conexión de tensión alterna esté conectada con un tercer punto de conexión de dos derivaciones parciales (y en la que la conexión de tensión alterna esté separada (eléctricamente) del primer punto de conexión y el segundo punto de conexión). Este convertidor de corriente de múltiples niveles presenta otros puntos de conexión (puntos de potencial), con los que puede conectarse la conexión de tensión alterna por medio del dispositivo de conmutación.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado también de modo que el dispositivo de conmutación ocupe las posiciones de conmutación (, en particular la primera posición de conmutación y la segunda posición de conmutación,) dependiendo del valor instantáneo de la tensión (tensión alterna) que está en contacto con la conexión de tensión alterna. Ventajosamente puede dirigirse el dispositivo de conmutación de modo que éste ocupe las posiciones de conmutación dependiendo del valor instantáneo de la tensión (tensión alterna) que está en contacto con la conexión de tensión alterna. Debido a ello resulta un modo especialmente sencillo de dirigir el dispositivo de conmutación.
Se necesita que se evalúe únicamente el valor instantáneo de la tensión alterna y dependiendo del nivel del valor instantáneo ocupa el dispositivo de conmutación la respectiva posición de conmutación (en particular la primera posición de conmutación y la segunda posición de conmutación).
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado también de modo que
- el dispositivo de conmutación ocupa la primera posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna es mayor de (o igual a) cero, y el dispositivo de conmutación ocupa la segunda posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna es menor de cero, o
- el dispositivo de conmutación ocupa la primera posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna se encuentra en un primer intervalo de tensión preseleccionado, y el dispositivo de conmutación ocupa la segunda posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna se encuentra en un segundo intervalo de tensión preseleccionado. La primera alternativa forma ventajosamente una posibilidad especialmente sencilla de determinar cuando el dispositivo de conmutación ocupa la primera posición de conmutación y cuando ocupa éste la segunda posición de conmutación: cuando el valor instantáneo de la tensión alterna es mayor de (o igual a) cero se ocupa la primera posición de conmutación; cuando el valor instantáneo de la tensión alterna es menor de cero, se ocupa la segunda posición de conmutación. La segunda alternativa indica que se ocupa la primera posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión alterna se encuentra en un primer intervalo de tensión preseleccionado. Cuando el valor instantáneo se encuentra en un segundo intervalo de tensión preseleccionado, entonces se ocupa la segunda posición de conmutación. Esta variante permite una conmutación más flexible del dispositivo de conmutación.
Se divulga además una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión con un convertidor de corriente de acuerdo con las variantes descritas anteriormente.
Se divulga además un procedimiento para el funcionamiento de un convertidor de corriente de múltiples niveles con al menos un módulo de fases, que está dispuesto entre una primera conexión de tensión continua y una segunda
conexión de tensión continua del convertidor de corriente de múltiples niveles y que presenta una pluralidad de módulos, en donde el módulo de fases presenta una primera derivación de módulo de fases, que está conectada con la primera conexión de tensión continua, presenta una segunda derivación de módulo de fases, que está conectada con la segunda conexión de tensión continua,
y presenta una tercera derivación de módulo de fases, que conecta la primera derivación de módulo de fases con la segunda derivación de módulo de fases, en donde en el procedimiento
- se mide un valor instantáneo de la tensión que está en contacto con una conexión de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles, y
- dependiendo del valor instantáneo medido se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con un primer punto de conexión entre la primera derivación de módulo de fases y la tercera derivación de módulo de fases o con un segundo punto de conexión entre la tercera derivación de módulo de fases y la segunda derivación de módulo de fases.
El procedimiento puede desarrollarse de modo que
- se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el primer punto de conexión o el segundo punto de conexión por medio de un dispositivo de conmutación, que presenta al menos un conmutador electrónico de potencia.
El procedimiento puede desarrollarse también de modo que
- por medio del dispositivo de conmutación en su primera posición de conmutación se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el primer punto de conexión y se separa (eléctricamente) la conexión de tensión alterna del segundo punto de conexión, y
- por medio del dispositivo de conmutación en su segunda posición de conmutación se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el segundo punto de conexión y se separa (eléctricamente) la conexión de tensión alterna del primer punto de conexión.
El procedimiento puede desarrollarse de modo que
- se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el primer punto de conexión, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna es mayor de (o igual a) cero, y se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el segundo punto de conexión, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna es menor de cero, o
- se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el primer punto de conexión, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna se encuentra en un primer intervalo de tensión preseleccionado y se conecta (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el segundo punto de conexión, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna se encuentra en un segundo intervalo de tensión preseleccionado.
El procedimiento puede desarrollarse también de modo que
- la tercera derivación de módulo de fases presenta varias derivaciones parciales conectadas eléctricamente en serie, entre las que existe al menos otro punto de conexión, en donde dependiendo del valor instantáneo medido (de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles) se une (eléctricamente) la conexión de tensión alterna con el primer punto de conexión, con el segundo punto de conexión o con el otro punto de conexión.
El procedimiento puede desarrollarse de modo que
- en la aparición de un fallo, en particular en la aparición de un cortocircuito (en el lado de tensión continua), se separa eléctricamente la conexión de tensión alterna por medio del dispositivo de conmutación (en su posición de conmutación de fallos) del módulo de fases (en particular de los puntos de conexión del módulo de fases).
El convertidor de corriente de múltiples niveles descrito y el procedimiento descrito presentan ventajas iguales o bien similares.
El estado de la técnica relevante para la presente invención es el documento WO2016177398 A1, WO2017029327 A1, US2017077834 A1, US2013308235 A1 y NAMI ALIREZA ET AL: "Modular Multilevel Converters for HVDC Applications: Review on Converter Cells and Functionalities", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, EE.UU., vol. 30, n.° 1, 1 de enero de 2015 (01/01/2015), páginas 18-36. Estos documentos divulgan igualmente convertidores de corriente de múltiples niveles con una estructura híbrida.
A continuación, la invención se explica con más detalle por medio de ejemplos de realización. Los números de referencia iguales indican a este respecto elementos iguales o que actúan igual. Para ello está representado en
la figura 1 un ejemplo de realización de un convertidor de corriente de múltiples niveles conocido por el estado de la técnica, en
la figura 2 un módulo de fases del convertidor de corriente de múltiples niveles conocido, en
la figura 3 un desarrollo de tensión a modo de ejemplo en el módulo de fases de acuerdo con la figura 2, en
la figura 4 un ejemplo de realización de un módulo de fases de acuerdo con la invención de un convertidor de corriente de múltiples niveles, en
la figura 5 un desarrollo de tensión a modo de ejemplo en el módulo de fases de acuerdo con la figura 4, en
la figura 6 una representación alternativa del módulo de fases de acuerdo con la figura 4, en
la figura 7 otro ejemplo de realización de un módulo de fases de un convertidor de corriente de múltiples niveles, en
la figura 8 un ejemplo de realización de un convertidor de corriente de múltiples niveles con tres módulos de fases, en
la figura 9 un ejemplo de realización de un módulo del convertidor de corriente de múltiples niveles, en
la figura 10 otro ejemplo de realización de un módulo del convertidor de corriente de múltiples niveles, y en
la figura 11 un ejemplo de realización de una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión.
En la figura 1 está representado un convertidor de corriente de múltiples niveles 1 (modular multilevel converter, MMC) conocido por el estado de la técnica. Este convertidor de corriente de múltiples niveles 1 presenta una primera conexión de tensión alterna 5, una segunda conexión de tensión alterna 7 y una tercera conexión de tensión alterna 9. La primera conexión de tensión alterna 5 está conectada eléctricamente con una primera derivación de módulo de fases 11 y una segunda derivación de módulo de fases 13. La primera derivación de módulo de fases 11 y la segunda derivación de módulo de fases 13 forman un primer módulo de fases 15 del convertidor de corriente 1. El extremo de la primera derivación de módulo de fases 11 opuesto a la primera conexión de tensión alterna 5 está conectado eléctricamente con una primera conexión de tensión continua 16; el extremo de la segunda derivación de módulo de fases 13 opuesto a la primera conexión de tensión alterna 5 está conectado eléctricamente con una segunda conexión de tensión continua 17. La primera conexión de tensión continua 16 es una conexión de tensión continua positiva; la segunda conexión de tensión continua 17 es una conexión de tensión continua negativa.
La segunda conexión de tensión alterna 7 está conectada eléctricamente con un extremo de una tercera derivación de módulo de fases 18 y con un extremo de una cuarta derivación de módulo de fases 21. La tercera derivación de módulo de fases 18 y la cuarta derivación de módulo de fases 21 forman un segundo módulo de fases 24. La tercera conexión de tensión alterna 9 está conectada eléctricamente con un extremo de una quinta derivación de módulo de fases 27 y con un extremo de una sexta derivación de módulo de fases 29. La quinta derivación de módulo de fases 27 y la sexta derivación de módulo de fases 29 forman un tercer módulo de fases 31.
El extremo de la tercera derivación de módulo de fases 18 opuesto a la segunda conexión de tensión alterna 7 y el extremo de la quinta derivación de módulo de fases 27 opuesto a la tercera conexión de tensión alterna 9 están conectados eléctricamente con la primera conexión de tensión continua 16. El extremo de la cuarta derivación de módulo de fases 21 opuesto a la segunda conexión de tensión alterna 7 y el extremo de la sexta derivación de módulo de fases 29 opuesto a la tercera conexión de tensión alterna 9 están conectados eléctricamente con la segunda conexión de tensión continua 17. La primera derivación de módulo de fases 11, la tercera derivación de módulo de fases 18 y la quinta derivación de módulo de fases 27 forman una parte 32 del convertidor de corriente en el lado positivo; la segunda derivación de módulo de fases 13, la cuarta derivación de módulo de fases 21 y la sexta derivación de módulo de fases 29 forman una parte 33 del convertidor de corriente en el lado negativo.
La primera conexión de tensión alterna 5, la segunda conexión de tensión alterna 7 y la tercera conexión de tensión alterna 9 pueden estar conectadas eléctricamente con una red de transmisión de energía de corriente alterna (no representada).
Cada derivación de módulo de fases presenta una pluralidad de módulos (1 1 ... 1_n; 2_1 ... 2_n; etc.), que están
conectados eléctricamente en serie (por medio de sus tomas de corriente galvánicas). Tales módulos se designan también como submódulos. En el ejemplo de realización de la figura 1 presenta cada derivación de módulo de fases n módulos. El número de módulos conectados eléctricamente en serie por medio de sus tomas de corriente galvánicas puede ser muy distinto, al menos están conectados en serie dos módulos, sin embargo pueden estar conectados eléctricamente en serie también por ejemplo 5, 50, 100 o más módulos. En el ejemplo de realización es n = 36: la primera derivación de módulo de fases 11 presenta por tanto 36 módulos 1_1, 1_2, 1_3, ... 1_36. Las otras derivaciones de módulo de fases 13, 18, 21, 27 y 29 están estructuradas de igual modo.
Desde un dispositivo de control no representado del convertidor de corriente 1 se transmiten avisos ópticos o bien señales ópticas a través de una conexión de comunicación óptica (por ejemplo a través de una fibra óptica) a los módulos individuales 1_1 a 6_n. Por ejemplo envía el dispositivo de control a los módulos individuales en cada caso un valor teórico con respecto al nivel de la tensión de partida, que debe facilitar el respectivo módulo.
En la figura 2 está representado el primer módulo de fases 15 del convertidor de corriente de múltiples niveles 1. En este primer módulo de fases 15 están representadas distintas tensiones. A través de la primera derivación de módulo de fases 11 está en contacto una primera tensión Up, a través de la segunda derivación de módulo de fases 13 está en contacto una segunda tensión Un. Entre la primera conexión de tensión alterna 5 y una conexión a tierra 202 está en contacto una tensión alterna Uac. Entre la primera conexión de tensión continua 16 y la conexión a tierra 202 está en contacto la tensión 1/2 Udc, en donde Udc es la tensión continua total, que están en contacto entre la primera conexión de tensión continua 16 y la segunda conexión de tensión continua 17. Entre la conexión a tierra 202 y la segunda conexión de tensión continua 17 está en contacto igualmente la tensión 1/2 Udc.
En la figura 3 están representadas estas tensiones a modo de ejemplo gráficamente con respecto al tiempo t. A este respecto está representado un periodo de tensión alterna Uac, que se produce en la primera conexión de tensión alterna 5. En el momento t=T/4 (que corresponde a una duración de cuarto de periodo de la tensión alterna) se produce el valor máximo positivo (valor instantáneo máximo positivo) de la tensión alterna Uac, en el momento t=3/4 T se produce el valor máximo negativo de la tensión alterna. En el momento t=T/4 está en contacto casi toda la tensión continua Udc como tensión Un con la segunda derivación de módulo de fases 13. En el momento t=3/4 T está en contacto casi toda la tensión continua Udc como tensión Up con la primera derivación de módulo de fases 11. Esto significa que tanto la primera derivación de módulo de fases 11 como también la segunda derivación de módulo de fases 13 deben estar configuradas de modo que puedan solicitarse en cada caso con la tensión continua completa Udc. Con otras palabras, un número de módulos correspondientemente grande 1_1 ... 1_n, 2_1 ... 2_n es necesario en las derivaciones de módulo de fases 11, 13, dado que cada módulo es adecuado solo para una solicitación por tensión máxima predeterminada.
En la figura 4 está representado un ejemplo de realización de un módulo de fases 400 de acuerdo con la invención. Este módulo de fases 400 presenta además de la primera derivación de módulo de fases 11 (en el lado positivo) y la segunda derivación de módulo de fases 13 (en el lado negativo) una tercera derivación de módulo de fases 404 (central). En la tercera derivación de módulo de fases 404 se produce una tercera tensión Us. El módulo de fases 400 está dispuesto entre la primera conexión de tensión continua 16 y la segunda conexión de tensión continua 17, en donde la primera derivación de módulo de fases 11 está conectada con la primera conexión de tensión continua 16. La segunda derivación de módulo de fases 13 está conectada con la segunda conexión de tensión continua 17. Cada derivación de módulo de fases presenta una pluralidad de módulos. En el ejemplo de realización presenta la primera derivación de módulo de fases 11 n módulos 1_1 ... 1_n, que en cada caso pueden estar configurados en circuito en medio puente (módulo de medio puente) o en circuito de puente integral (módulo de puente integral). A modo de ejemplo está representado el módulo 1_1 como módulo de puente integral y el módulo 1_n como módulo de medio puente. Igualmente presenta la segunda derivación de módulo de fases 13 n módulos 2_1 ... 2_n, que en cada caso pueden estar configurados en circuito en medio puente (módulo de medio puente) o en circuito de puente integral (módulo de puente integral). La primera derivación de módulo de fases 11 y la segunda derivación de módulo de fases 13 pueden presentar por tanto, por ejemplo, también en cada caso solo módulos de medio puente (o en cada caso solo módulos de puente integral).
La tercera derivación de módulo de fases 404 presenta al menos un módulo 408_1 con un circuito de puente integral (módulo de puente integral 408_1), así como otros módulos 408_2 a 408_n, que en cada caso pueden estar configurados en circuito en medio puente (módulo de medio puente) o en circuito de puente integral (módulo de puente integral).
La tercera derivación de módulo de fases 404 conecta la primera derivación de módulo de fases 11 con la segunda derivación de módulo de fases 13 con formación de un primer punto de conexión 412 entre la primera derivación de módulo de fases 11 y la tercera derivación de módulo de fases 404 y con formación de un segundo punto de conexión 416 entre la tercera derivación de módulo de fases 404 y la segunda derivación de módulo de fases 13. Un dispositivo de conmutación 420 está configurado para conectar eléctricamente en una primera posición de conmutación 421 la primera conexión de tensión alterna 5 con el primer punto de conexión 412, y conectar eléctricamente en una segunda posición de conmutación 422 la primera conexión de tensión alterna 5 con el segundo punto de conexión 416. Además, el dispositivo de conmutación 420 está configurado para separar en la segunda posición de conmutación 422 la
conexión de tensión alterna 5 eléctricamente del primer punto de conexión 412 y separar en la primera posición de conmutación 421 la primera conexión de tensión alterna 5 eléctricamente del segundo punto de conexión 416.
El dispositivo de conmutación 420 presenta como elementos de conmutación un primer tiristor T1, un segundo tiristor T2, un tercer tiristor T3 y un cuarto tiristor T4. Dicho de manera más exacta presenta el dispositivo de conmutación un primer conmutador 424 electrónico de potencia y un segundo conmutador 428 electrónico de potencia. El primer conmutador electrónico de potencia 424 presenta a este respecto el primer tiristor T1 y el segundo tiristor T2; el segundo conmutador 428 electrónico de potencia presenta a este respecto el tercer tiristor T3 y el cuarto tiristor T4. El primer conmutador 424 electrónico de potencia presenta por tanto tiristores T1 y T2 conectados de manera antiparalela; el segundo conmutador 428 electrónico de potencia presenta tiristores T3 y T4 conectados de manera antiparalela.
La representación con tiristores individuales T1, T2, T3 y T4 ha de entenderse en este sentido solo de manera simbólica. En la realidad pueden estar conectados en serie y/o en paralelo por ejemplo un mayor número de tiristores, para realizar los valores de tensión y de corriente necesarios.
El primer conmutador 424 electrónico de potencia conecta eléctricamente en la primera posición de conmutación del dispositivo de conmutación 420 la primera conexión de tensión alterna 5 con el primer punto de conexión 412; el primer conmutador 424 electrónico de potencia separa eléctricamente en la primera posición de conmutación del dispositivo de conmutación 420 la primera conexión de tensión alterna 5 del primer punto de conexión 412. El segundo conmutador 428 electrónico de potencia conecta en la segunda posición de conmutación del dispositivo de conmutación 420 eléctricamente la primera conexión de tensión alterna 5 con el segundo punto de conexión 416; el segundo conmutador 428 electrónico de potencia separa eléctricamente en la primera posición de conmutación del dispositivo de conmutación 420 la primera conexión de tensión alterna 5 del segundo punto de conexión 416.
El dispositivo de conmutación 420 ocupa sus posiciones de conmutación (o sea la primera posición de conmutación y la segunda posición de conmutación) dependiendo del valor instantáneo de la tensión alterna que está en contacto con la conexión de tensión alterna 5. Dicho de manera más exacta se dirige el dispositivo de conmutación 420 por un dispositivo de mando (no representado) de modo que éste ocupa sus posiciones de conmutación (o sea la primera posición de conmutación y la segunda posición de conmutación) dependiendo del valor instantáneo de la tensión alterna que está en contacto con la conexión de tensión alterna 5. A este respecto ocupa el dispositivo de conmutación 420 la primera posición de conmutación cuando el valor instantáneo de la tensión alterna es mayor de (o igual a) cero. Entonces está conectada eléctricamente la primera conexión de tensión alterna 5 con el primer punto de conexión 412. El dispositivo de conmutación 420 ocupa la segunda posición de conmutación cuando el valor instantáneo de la tensión alterna que está en contacto con la conexión de tensión alterna 5 es menor de cero. Entonces está conectada eléctricamente la primera conexión de tensión alterna 5 con el segundo punto de conexión 416.
El convertidor de corriente de múltiples niveles puede estar configurado también de modo que el dispositivo de conmutación ocupa la primera posición de conmutación cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna se encuentra en un primer intervalo de tensión preseleccionado, y el dispositivo de conmutación ocupa la segunda posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna se encuentra en un segundo intervalo de tensión preseleccionado. El primer intervalo de tensión preseleccionado puede ser por ejemplo el intervalo de tensión entre 0 y 1/2 Udc; el segundo intervalo de tensión preseleccionado puede ser por ejemplo el intervalo de tensión entre -1/2 Udc y 0.
En la figura 5 está representado un ejemplo de realización de las tensiones que resultan en el módulo de fases 400. Durante el intervalo de tiempo entre t = 0 y t = 1/2 T (o sea durante el intervalo de tiempo en el que los valores instantáneos de la tensión alterna Uac son mayores de cero) está en contacto con la primera derivación de módulo de fases 11 solo la tensión Up relativamente baja. La tensión mayor (Udc - Up) se distribuye en la segunda derivación de módulo de fases 13 (como tensión Un) y en la tercera derivación de módulo de fases 404 (como tensión Us). Debido a ello está en contacto con la primera derivación de módulo de fases 11, con la segunda derivación de módulo de fases 13 y la tercera derivación de módulo de fases 404 en cada caso como máximo la tensión 1/2 Udc. Por tanto necesita estar configurada cada derivación de módulo de fases 11, 13 y 404 solo en cada caso para la mitad de la tensión continua máxima 1/2 Udc. En comparación con el módulo de fases 15 conocido hasta ahora de la figura 2 son necesarios por tanto menos módulos. Pueden ahorrarse el 25 % de los módulos, ya que los módulos de la tercera derivación de módulo de fases 404 se asignan por así decirlo de manera opcional a la primera derivación de módulo de fases 11 o a la tercera derivación de módulo de fases 404 (esto siempre que en cada derivación de módulo de fases esté presente el mismo número de módulos). Durante la segunda duración de periodo (o sea en el intervalo entre t = 1/2 T y t = T está en contacto con la segunda derivación de módulo de fases 13 solo la tensión Un relativamente baja, mientras que la tensión mayor (Udc - Un) se distribuye en la primera derivación de módulo de fases 11 y la segunda derivación de módulo de fases 404. De manera análoga a los procesos en la primera mitad del periodo de la tensión alterna se produce nuevo en cada derivación de módulo de fases como máximo la tensión 1/2 Udc.
En la figura 6 está representado el módulo de fases 400 de la figura 4 aún una vez más en una representación simplificada. Para ello están representadas la primera derivación de módulo de fases 11, la segunda derivación de
módulo de fases 13 y la tercera derivación de módulo de fases 404 a modo simbólico en cada caso como un cuadrado con una diagonal dibujada. El primer conmutador 424 electrónico de potencia y el segundo conmutador 428 electrónico de potencia están representados en cada caso como un cuadrado más pequeño con dos diagonales dibujadas. En la figura 6 está representado además por medio de flechas de tensión, cómo la tensión alterna Uac que se produce en la primera conexión de tensión alterna 5 frente a la conexión a tierra 202 durante el primer semiperiodo de la tensión alterna (Uac > 0) entre el primer punto de conexión 412 y la conexión a tierra 202. Durante el segundo semiperiodo (U ac < 0) se produce la tensión alterna Uac entre el segundo punto de conexión 416 y la conexión a tierra 202 (esta representación supone que el primer conmutador 424 electrónico de potencia y el segundo conmutador 428 electrónico de potencia se comportan como conmutadores ideales, es decir, a través de estos conmutadores 424 y 428 no se produce en el estado conectado ninguna caída de tensión).
En la figura 7 está representado otro ejemplo de realización adicional de un módulo de fases 700. En el caso de este módulo de fases 700 se divide, a diferencia del módulo de fases de la figura 6, la tercera derivación de módulo de fases en tres derivaciones parciales: en una primera derivación parcial 704, una segunda derivación parcial 708 y una tercera derivación parcial 712. La primera derivación de módulo de fases 11 está conectada eléctricamente con formación del primer punto de conexión 412 con la primera derivación parcial 704. La primera derivación parcial 704 está conectada eléctricamente con formación de un tercer punto de conexión 716 con la segunda derivación parcial 708. La segunda derivación parcial 708 está conectada eléctricamente con formación de un cuarto punto de conexión 720 con la tercera derivación parcial 712 y la tercera derivación parcial 712 está conectada eléctricamente con formación del segundo punto de conexión 416 con la segunda derivación de módulo de fases 13.
Un tercer conmutador 724 electrónico de potencia conecta (o separa) eléctricamente el tercer punto de conexión 716 con la primera conexión de corriente alterna 5. Un cuarto conmutador 728 electrónico de potencia conecta (o separa) eléctricamente el cuarto punto de conexión 720 con la primera conexión de tensión alterna 5. El dispositivo de conmutación 732 presenta además de la primera posición de conmutación y segunda posición de conmutación conocidas por la figura 6 adicionalmente también una tercera posición de conmutación y una cuarta posición de conmutación. En la tercera posición de conmutación se conecta eléctricamente la primera conexión de tensión alterna 5 por medio del tercer conmutador 724 electrónico de potencia con el tercer punto de conexión 716 (y se separa eléctricamente por medio de los otros conmutadores 424, 728 y 428 electrónicos de potencia de los puntos de conexión 412, 720 y 416). En la cuarta posición de conmutación del dispositivo de conmutación 732 se conecta eléctricamente la primera conexión de tensión alterna 5 por medio del cuarto conmutador 728 electrónico de potencia con el cuarto punto de conexión 720 (y se separa eléctricamente por medio de los otros conmutadores 424, 724 y 428 electrónicos de potencia de los puntos de conexión 412, 716 y 416). A cada conmutador 424, 724, 728 y 428 electrónico de potencia está asignado a este respecto un intervalo de tensión de la tensión alterna. Estos intervalos de tensión son intervalos de tensión no solapantes. Cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna 5 se encuentra en uno de los intervalos de tensión, entonces se cierra el conmutador electrónico de potencia asignado y conecta la primera conexión de tensión alterna 5 con el respectivo punto de conexión. La conexión de tensión alterna 5 está separada eléctricamente entonces de los otros puntos de conexión.
El primer intervalo de tensión preseleccionado puede ser por ejemplo el intervalo de tensión entre 1/4 Udc y 1/2 Udc; el segundo intervalo de tensión preseleccionado puede ser por ejemplo el intervalo de tensión entre 0 y 1/4 Udc; el tercer intervalo de tensión preseleccionado puede ser por ejemplo el intervalo de tensión entre -1/4 Udc y 0; el cuarto intervalo de tensión preseleccionado puede ser por ejemplo el intervalo de tensión entre -1/2 Udc y -1/4 Udc.
El módulo de fases 700 permite una asignación aún más flexible de los módulos de las derivaciones parciales individuales a la primera derivación de módulo de fases 11 o a la segunda derivación de módulo de fases 13. Debido a ello pueden conectarse estos módulos aún de manera más diferenciada o bien a la primera derivación de módulo de fases 11 o a la segunda derivación de módulo de fases 13.
En la figura 8 está representado un ejemplo de realización de un convertidor de corriente de múltiples niveles 800. Este convertidor de corriente de múltiples niveles 800 trifásico presenta tres módulos de fases de acuerdo con la figura 6.
En la figura 9 está representado un ejemplo de realización de un módulo 900 del convertidor de corriente de múltiples niveles. A este respecto puede tratarse por ejemplo de uno de los módulos de los módulos de fases representados en las figuras 4 o 7.
El módulo 900 está desconectado como un módulo de medio puente 900. El módulo 900 presenta un primer elemento de conmutación 902 electrónico (que puede desconectarse) (primera válvula semiconductora 902 que puede desconectarse) con un primer diodo 904 conectado de manera antiparalela. Además presenta el módulo 900 un segundo elemento de conmutación 906 electrónico (que puede desconectarse) (segunda válvula semiconductora 906 que puede desconectarse) con un segundo diodo 908 conectado de manera antiparalela así como un acumulador de energía 910 eléctrico en forma de un condensador 910. El primer elemento de conmutación 902 electrónico y el segundo elemento de conmutación 906 electrónico están configurados en cada caso como un IGBT (insulated-gate bipolar transistor). El primer elemento de conmutación 902 electrónico está conectado eléctricamente en serie con el
segundo elemento de conmutación 906 electrónico. En el punto de conexión entre los dos elementos de conexión 902 y 906 electrónicos está dispuesta una primera conexión de módulo 912 galvánica. En la conexión del segundo elemento de conmutación 906 electrónico, que se encuentra opuesto al punto de conexión, está dispuesta una segunda conexión de módulo 915 galvánica. La segunda conexión de módulo 915 está conectada eléctricamente además con una primera conexión del acumulador de energía 910; una segunda conexión del acumulador de energía 910 está conectada eléctricamente con la conexión del primer elemento de conmutación 902 electrónico, que se encuentra opuesto al punto de conexión.
El acumulador de energía 910 está conectado por tanto eléctricamente en paralelo al circuito en serie del primer elemento de conmutación 902 electrónico y el segundo elemento de conmutación 906 electrónico. Mediante la correspondiente dirección del primer elemento de conmutación 902 electrónico y del segundo elemento de conmutación 906 electrónico por un dispositivo de control electrónico (no representado) del convertidor de corriente puede conseguirse que entre la primera conexión de módulo 912 y la segunda conexión de módulo 915 o bien se emita la tensión del acumulador de energía 910 o no se emita ninguna tensión (es decir se emite una tensión cero). Mediante la interacción de los módulos de las derivaciones de módulo de fases individuales puede generarse así la tensión de partida deseada en cada caso del convertidor de corriente.
En la figura 10 está representado otro ejemplo de realización de un módulo 1000 del convertidor de corriente de múltiples niveles. En el caso de este módulo 301 puede tratarse por ejemplo del módulo 408 1 del módulo de fases 400 representado en la figura 4 (o también de uno de los otros módulos del convertidor de corriente de múltiples niveles). Además del primer elemento de conmutación 902 electrónico, segundo elemento de conmutación 906 electrónico, primer diodo libre 904, segundo diodo libre 908 y acumulador de energía 910 conocidos ya por la figura 9 presenta el módulo 1000 representado en la figura 10 un tercer elemento de conmutación 1002 electrónico con un tercer diodo libre 1004 conectado de manera antiparalela así como un cuarto elemento de conmutación 1006 electrónico con un cuarto diodo libre 1008 conectado de manera antiparalela. El tercer elemento de conmutación 1002 electrónico y el cuarto elemento de conmutación 1006 electrónico están configurados en cada caso como un IGBT. A diferencia del circuito de la figura 9 no está conectada eléctricamente la segunda conexión de módulo 1015 con el segundo elemento de conmutación 906 electrónico, sino con un punto central de una conexión en serie eléctrica del tercer elemento de conmutación 1002 electrónico y el cuarto elemento de conmutación 1006 electrónico.
El módulo 1000 de la figura 10 es un denominado módulo de puente integral 1000. Este módulo de puente integral 1000 se caracteriza por que con correspondiente dirección de los cuatro elementos de conmutación electrónicos entre la primera conexión de módulo 912 (galvánica) y la segunda conexión de módulo 1015 (galvánica) puede emitirse opcionalmente o bien la tensión positiva del acumulador de energía 910, la tensión negativa del acumulador de energía 910 o una tensión del valor cero (tensión cero). Por consiguiente puede invertirse, por tanto, por medio del módulo de puente integral 1000, la polaridad de la tensión de partida. El convertidor de corriente de múltiples niveles puede presentar o bien solo módulos de medio puente 900, solo módulos de puente integral 1000 o también módulos de medio puente 900 y módulos de puente integral 1000.
En la figura 11 está representado esquemáticamente un ejemplo de realización de una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión 1100. Esta instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión 1100 presenta dos convertidores de corriente 800, tal como están representados en la figura 8. Estos dos convertidores de corriente 800 están conectados entre sí eléctricamente en el lado de la tensión continua a través de una conexión de corriente continua de alta tensión 1105. A este respecto están conectadas entre sí eléctricamente las dos conexiones de tensión continua 16 positivas de los convertidores de corriente 800 por medio de una conducción de corriente continua de alta tensión 1105a; las dos conexiones de tensión continua 17 negativas de los dos convertidores de corriente 800 están conectadas entre sí eléctricamente por medio de una segunda conducción de corriente continua de alta tensión 1105b. Por medio de una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión 1100 puede transmitirse energía eléctrica a través de amplias distancias; la conexión de corriente continua de alta tensión 1105 presenta entonces una correspondiente longitud. En la figura 11 está representado a modo de ejemplo una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión 1100 configurada como monopolo simétrico. Sin embargo naturalmente puede usarse el convertidor de corriente también en otras instalaciones de transmisión de corriente continua de alta tensión, por ejemplo en instalaciones de bipolo.
Para el funcionamiento de un convertidor de corriente de múltiples niveles de acuerdo con la figura 8 se mide por tanto el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna 5 del convertidor de corriente de múltiples niveles. Dependiendo del valor instantáneo medido se conecta eléctricamente entonces la conexión de tensión alterna 5 con el primer punto de conexión 412 o el segundo punto de conexión 416 (o dado el caso uno de los otros puntos de conexión, tal como por ejemplo con el tercer punto de conexión 716 o el cuarto punto de conexión 720). A este respecto, la conexión de tensión alterna 5 está conectada eléctricamente en cada caso solo con uno de los puntos de conexión; la conexión de tensión alterna 5 está separada eléctricamente de los otros puntos de conexión por medio de los otros conductores electrónicos de potencia.
En el caso de un convertidor de corriente de múltiples niveles con módulos de fase de acuerdo con la figura 6 se conecta eléctricamente la conexión de tensión alterna 5 entonces con el primer punto de conexión 412, cuando el valor
instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna 5 es mayor de (o igual a) cero. La conexión de tensión alterna 5 se conecta eléctricamente entonces con el segundo punto de conexión 416, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna es menor de cero.
En el caso de un convertidor de corriente de múltiples niveles con módulos de fases de acuerdo con la figura 7 (o sea en el caso de módulos de fases, en los que la tercera derivación de módulo de fases presenta varias derivaciones parciales) se conecta eléctricamente la conexión de tensión alterna 5 por medio del dispositivo de conmutación 732 en cada caso con el punto de conexión, en cuyo intervalo de tensión preseleccionado asignado se encuentra el valor instantáneo de la tensión alterna Uac (que está en contacto con la conexión de tensión alterna 5). La conexión de tensión alterna 5 se separa eléctricamente de los otros puntos de conexión.
El dispositivo de conmutación 420, 732 puede usarse con la aparición de fallos también de manera especialmente ventajosa para la aclaración de fallos. Cuando, por ejemplo, en el caso de un convertidor de corriente de múltiples niveles con módulos de fases 400 de acuerdo con la figura 4 se produce un cortocircuito en el lado de tensión continua, entonces puede llevarse el dispositivo de conmutación 420 a una posición de conmutación especial (que debe mencionarse en este caso posición de conmutación de fallos), en la que el dispositivo de conmutación separa eléctricamente la primera conexión de tensión alterna 5 de todos los puntos de conexión 412, 416 del módulo de fases. Debido a ello se interrumpe el flujo de energía desde la red de tensión alterna conectada con la conexión de tensión alterna del convertidor de corriente hacia el sitio del fallo en el lado de tensión continua. Esta interrupción/separación eléctrica puede realizarse muy rápidamente. En particular cuando el dispositivo de conmutación está configurado con tiristores, puede realizarse la transmisión en la posición de conmutación de defectos de manera sencilla debido a que se desconectan las señales de control para los tiristores, tras lo cual los tiristores pasan, con el siguiente paso por cero de la tensión alterna, hacia su posición de bloqueo. Debido a ello puede desconectarse la corriente alterna muy rápidamente.
Se describieron un convertidor de corriente de múltiples niveles y un procedimiento para el funcionamiento del convertidor de corriente de múltiples niveles, en los que es suficiente en comparación con un convertidor de corriente de múltiples niveles convencional un número de módulos más bajo. Debido a ello pueden ahorrase costes y espacio de construcción así como pueden reducirse la potencia de pérdida que se produce en los elementos de conmutación de los módulos.
Se describió una posibilidad de combinación de un convertidor de corriente de múltiples niveles con válvulas de tiristor/conmutadores de tiristor. Esta topología de convertidor de corriente novedosa permite una reducción del número de conmutación en serie de los módulos en los módulos de fases. A este respecto se usan válvulas de tiristor antiparalela, para reducir la tensión máxima que se produce en cada caso en las derivaciones de módulo de fases individuales. Por ejemplo es posible con el uso de una tercera derivación de módulo de fases reducir la tensión desde el 200 % de Udc hasta el 150 % de Udc.
En comparación con la realización conocida de módulos de fases (que presentan únicamente una primera derivación de módulo de fases en el lado positivo y una segunda derivación de módulo de fases en el lado negativo) se realiza en el módulo de fases novedoso una subdivisión del módulo de fases en tres derivaciones de módulo de fases: a este respecto forma una primera derivación de módulo de fases una derivación de módulo de fases en el lado positivo, una segunda derivación de módulo de fases una derivación de módulo de fases en el lado negativo y una tercera derivación de módulo de fases una derivación de módulo de fases central. Las válvulas de tiristor antiparalelas permiten a este respecto limitar la tensión ajustada por una derivación de módulo de fases desde el 100 % de Udc hasta el 50 % de Udc. Con ello se reduce la potencia del convertidor de corriente necesaria desde dos veces el 100 % hasta tres veces el 50 %. Esto corresponde a un ahorro del 25 % de potencia necesaria. Esto puede dar como resultado un ahorro del 25 % de los módulos necesarios.
Una ventaja adicional resulta debido a que mediante las válvulas de tiristor/conmutadores de tiristor pueden aclararse más rápidamente los casos de fallo en comparación con la aclaración de fallos con un conmutador de potencia dispuesto en el lado de tensión alterna del convertidor de corriente de múltiples niveles. Debido a ello puede reducirse la carga del convertidor de corriente de múltiples niveles en el caso de fallo.
Tras activar un comando de protección para la aclaración de fallos se desconecta el impulso de inflamación de los tiristores. Como consecuencia se bloquean los tiristores, de modo que la corriente alterna que fluye tiende rápidamente a cero. Esto se realiza en el intervalo de pocos milisegundos. A diferencia de esto, un conmutador de potencia en el lado de corriente alterna convencional requiere tiempos de conmutación entre aprox. 2,5 y 3 duraciones de periodo, o sea entre aprox. 50 ms y 60 ms con una frecuencia de la corriente alterna de 50 Hz. Por medio del dispositivo de conmutación descrito puede aclararse de manera claramente más rápida por tanto el fallo que mediante un conmutador de potencia AC en el lado de corriente alterna convencional.
Los tiristores presentan además, en comparación con los módulos con elementos de conmutación de IGBT, pérdidas en estado de conducción claramente más bajas (una pérdida más pequeña por elemento de construcción), tensiones de bloqueo más altas (condicional un número de conexiones en serie más bajo para conseguir la misma tensión) y
debido a ello costes más bajos. El gasto adicional para las válvulas de tiristor adicionales se compensa más por tanto por el ahorro en los módulos.
El convertidor de corriente de múltiples niveles descrito y el procedimiento descrito pueden usarse para los más diversos tipos de instalaciones, por ejemplo para la transmisión de corriente continua de alta tensión por medio de cable subterráneo o por medio de líneas aéreas.
Claims (16)
1. Convertidor de corriente de múltiples niveles (800) con un módulo de fases (400), que está dispuesto entre una primera conexión de tensión continua (16) y una segunda conexión de tensión continua (17) del convertidor de corriente de múltiples niveles y que presenta una pluralidad de módulos (1_1... 1_n; 2_1 ... 2_n), en donde el módulo de fases (400) presenta una primera derivación de módulo de fases (11), que está conectada con la primera conexión de tensión continua (16), y presenta una segunda derivación de módulo de fases (13), que está conectada con la segunda conexión de tensión continua (17), y en donde los módulos (1_1...1_n; 2_1 ... 2_n) presentan en cada caso al menos dos elementos de conexión (902, 906) electrónicos y un acumulador de energía (910) eléctrico, con una tercera derivación de módulo de fases (404), que conecta la primera derivación de módulo de fases (11) con la segunda derivación de módulo de fases (13), y un dispositivo de conmutación (420), que en una primera posición de conmutación conecta una conexión de tensión alterna (5) del módulo de fases (400) con un primer punto de conexión (412) entre la primera derivación de módulo de fases (11) y la tercera derivación de módulo de fases (404) y en una segunda posición de conmutación conecta la conexión de tensión alterna (5) con un segundo punto de conexión (416) entre la tercera derivación de módulo de fases (404) y la segunda derivación de módulo de fases (13),
y en donde el convertidor de corriente de múltiples niveles presenta tres módulos de fases de este tipo, caracterizado por que el dispositivo de conmutación (420) presenta un primer conmutador (424) electrónico de potencia y un segundo conmutador (428) electrónico de potencia, en donde el primer conmutador (424) electrónico de potencia presenta tiristores (T1, T2) conectados de manera antiparalela y el segundo conmutador (428) electrónico de potencia presenta tiristores (T3, T4) conectados de manera antiparalela.
2. Convertidor de corriente de múltiples niveles según la reivindicación 1,
caracterizado por que
- el dispositivo de conmutación (420) en la segunda posición de conmutación separa la conexión de tensión alterna (5) del primer punto de conexión (412) y en la primera posición de conmutación separa la conexión de tensión alterna (5) del segundo punto de conexión (416).
3. Convertidor de corriente de múltiples niveles según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado por que
- la primera derivación de módulo de fases (11), la segunda derivación de módulo de fases (13) y la tercera derivación de módulo de fases (404) presentan en cada caso al menos dos de los módulos (1_1 ... 1_n; 2_1 ...
2_n; 408_1 ... 408_n), en particular en cada caso al menos cinco de los módulos, en un circuito en serie.
4. Convertidor de corriente de múltiples niveles según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
- el primer conmutador (424) electrónico de potencia en la primera posición de conmutación del dispositivo de conmutación (420) conecta la conexión de tensión alterna (5) con el primer punto de conexión (412) y en la segunda posición de conmutación del dispositivo de conmutación (420) separa la conexión de tensión alterna (5) del primer punto de conexión (412) y
- el segundo conmutador (428) electrónico de potencia en la segunda posición de conmutación del dispositivo de conmutación (420) conecta la conexión de tensión alterna (5) con el segundo punto de conexión (416) y en la primera posición de conmutación del dispositivo de conmutación (420) separa la conexión de tensión alterna (5) del segundo punto de conexión (416).
5. Convertidor de corriente de múltiples niveles según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
- al menos un módulo de la tercera derivación de módulo de fases está configurado de modo que éste puede emitir una tensión de polaridad positiva o negativa.
6. Convertidor de corriente de múltiples niveles según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
- al menos un módulo (408_1) de la tercera derivación de módulo de fases (404) presenta un circuito de puente integral.
7. Convertidor de corriente de múltiples niveles según la reivindicación 6,
caracterizado por que
- el circuito de puente integral presenta cuatro elementos de conmutación (902, 906, 1002, 1006) electrónicos y un acumulador de energía (910) eléctrico.
8. Convertidor de corriente de múltiples niveles según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
- la tercera derivación de módulo de fases (404) presenta varias derivaciones parciales (704, 708, 712) conectadas eléctricamente en serie, y el dispositivo de conmutación (732) presenta una tercera posición de conmutación, en la que la conexión de tensión alterna (5) está conectada con un tercer punto de conexión (716) de dos derivaciones parciales (704, 708).
9. Convertidor de corriente de múltiples niveles según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
- el dispositivo de conmutación (420, 732) ocupa las posiciones de conmutación dependiendo del valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5).
10. Convertidor de corriente de múltiples niveles según una de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por que
- el dispositivo de conmutación (420) ocupa la primera posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) es mayor de cero, y el dispositivo de conmutación (420) ocupa la segunda posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) es menor de cero, o
- el dispositivo de conmutación (420) ocupa la primera posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) se encuentra en un primer intervalo de tensión preseleccionado, y el dispositivo de conmutación (420) ocupa la segunda posición de conmutación, cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) se encuentra en un segundo intervalo de tensión preseleccionado.
11. Instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión (1100) con un convertidor de corriente (800) según una de las reivindicaciones 1 a 10.
12. Procedimiento para el funcionamiento de un convertidor de corriente de múltiples niveles (800) con un módulo de fases (400), que está dispuesto entre una primera conexión de tensión continua (16) y una segunda conexión de tensión continua (17) del convertidor de corriente de múltiples niveles y que presenta una pluralidad de módulos (1_1...1_n; 2_1 ... 2_n), en donde el módulo de fases (400) presenta una primera derivación de módulo de fases (11), que está conectada con la primera conexión de tensión continua (16), presenta una segunda derivación de módulo de fases (13), que está conectada con la segunda conexión de tensión continua (17), y presenta una tercera derivación de módulo de fases (404), que conecta la primera derivación de módulo de fases (11) con la segunda derivación de módulo de fases (13), y en donde el convertidor de corriente de múltiples niveles presenta tres módulos de fases de este tipo, en donde en el procedimiento
- se mide un valor instantáneo de la tensión que está en contacto con una conexión de tensión alterna (5) del un módulo de fases (400), y
- dependiendo del valor instantáneo medido se conecta la conexión de tensión alterna (5) con un primer punto de conexión (412) entre la primera derivación de módulo de fases (11) y la tercera derivación de módulo de fases (404) del un módulo de fases (400) o con un segundo punto de conexión entre la tercera derivación de módulo de fases (404) y la segunda derivación de módulo de fases (13) del un módulo de fases (400), en donde se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el primer punto de conexión (412) o el segundo punto de conexión (416) por medio de un dispositivo de conmutación (420), que presenta un primer conmutador (424) electrónico de potencia y un segundo conmutador (428) electrónico de potencia, en donde el primer conmutador (424) electrónico de potencia presenta tiristores (T1, T2) conectados de manera antiparalela y el segundo conmutador (428) electrónico de potencia presenta tiristores (T3, T4) conectados de manera antiparalela.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado por que
- por medio del dispositivo de conmutación (420) en su primera posición de conmutación se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el primer punto de conexión (412) y se separa la conexión de tensión alterna (5) del segundo punto de conexión (416), y
- por medio del dispositivo de conmutación (420) en su segunda posición de conmutación se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el segundo punto de conexión (416) y se separa la conexión de tensión alterna (5) del primer punto de conexión (412).
14. Procedimiento según la reivindicación 12 o 13,
caracterizado por que
- se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el primer punto de conexión (412), cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) es mayor de cero, y se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el segundo punto de conexión (416), cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) es menor de cero, o
- se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el primer punto de conexión (412), cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) se encuentra en un primer intervalo de tensión preseleccionado y se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el segundo punto de conexión (416), cuando el valor instantáneo de la tensión que está en contacto con la conexión de tensión alterna (5) se encuentra en un segundo intervalo de tensión preseleccionado.
15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 14,
caracterizado por que
- la tercera derivación de módulo de fases (404) presenta varias derivaciones parciales (704, 708, 712) conectadas eléctricamente en serie, entre las que existe al menos otro punto de conexión (716), en donde dependiendo del valor instantáneo medido se conecta la conexión de tensión alterna (5) con el primer punto de conexión (11), con el segundo punto de conexión (13) o con el otro punto de conexión (716).
16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 15,
caracterizado por que
- en la aparición de un fallo, en particular en la aparición de un cortocircuito, la conexión de tensión alterna (5) se separa por medio del dispositivo de conmutación (420) del módulo de fases (400).
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