PL225567B1 - Układ do przenoszenia energii elektrycznej między trójfazową siecią rozdzielczą średniego napięcia a trójfazową siecią wydzieloną prądu przemiennego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do przenoszenia energii elektrycznej między trójfazową siecią rozdzielczą średniego napięcia a trójfazową siecią wydzieloną prądu przemiennego. Znajduje on zastosowanie do zasilania energią elektryczną grup odbiorników trójfazowych i jednofazowych, zwłaszcza odbiorników nieliniowych i pobierających moc bierną oraz napędów elektrycznych pracujących w obrębie sieci wydzielonej prądu przemiennego, zwłaszcza sieci z przyłączonymi rozproszonymi odnawialnymi źródłami energii, w której występują częste zakłócenia i zmiany parametrów napięcia.

Znany jest z publikacji T. Bakoń „Modelowanie sieci wydzielonych z możliwością kształtowania przebiegów napięć fazowych i stanów awaryjnych”, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 2/2013, ss. 401-406 układ sieci wydzielonej czteroprzewodowej przewidzianej do zasilania grupy odbiorników elektrycznych, w przypadku których istnieje konieczność zapewnienia wysokiej niezawodności (nieprzerwalności) zasilania wraz z jednoczesną możliwością wpływu na kształt krzywej napięcia oraz możliwością podtrzymywania pracy sieci w wybranych stanach awaryjnych. Jako źródło napięcia dla takich sieci stosuje się pośredni przekształtnik napięcia połączony z transformatorem zapewniającym izolację galwaniczną sieci wydzielonej od źródła zasilania. Niedogodnością powyższego układu przy dużych wartościach mocy znamionowej są niekorzystnie duże wymiary transformatora pracującego z częstotliwością sieciową. Pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi transformatora pracującego z częstotliwością sieci występują pojemności o niekorzystnie dużych wartościach, które w wyniku int erakcji z napięciami prostokątnymi o wysokiej częstotliwości generowanymi przez przekształtnik będą powodować niekorzystny przepływ prądów pasożytniczych wysokiej częstotliwości pomiędzy trójfazową siecią rozdzielczą a siecią wydzieloną.

Znany jest z publikacji nr WO 2010/144805A1 A versatile distribution transformer oraz z publikacji nr WO 2010/091260A2 A hybrid distribution transformer with AC & DC power capabilities oraz z publikacji J. Sastryi, S. Bala: „Considerations for the Design of Power Electronic Modules for Hybrid Distribution Transformers”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2013, ss. 1422-1428 układ służący do przenoszenia energii elektrycznej między siecią rozdzielczą prądu przemiennego a siecią wydzieloną prądu przemiennego, składający się z transformatora o częstotliwości pracy równej częstotliwości sieci, mającego dzielone uzwojenie strony wtórnej. Do wydzielonej części uzwojenia strony wtórnej transformatora dołączony jest równolegle pośredni przekształtnik napięcia o mocy stanowiącej ułamek mocy transformatora. Układ ten został nazwany transformatorem hybrydowym i ma zastosowanie do zasilania grup odbiorników bądź odbiorców jednofazowych bądź trójfazowych przyłączonych do sieci wydzielonej prądu przemiennego i umożliwia regulację param etrów napięcia w tej sieci oraz regulację przepływu mocy czynnej i biernej w określonym zakresie. Dzięki tym własnościom układ transformatora hybrydowego może korzystnie wpływać na poprawę jakości energii dostarczanej do odbiorców. Niedogodnością powyższego rozwiązania jest to, że izol acja galwaniczna od sieci jest realizowana za pomocą obwodu magnetycznego pracującego z częst otliwością sieciową. Pomiędzy uzwojeniami transformatora pracującego z częstotliwością sieciową występują pojemności o określonej wartości. Pojemności pasożytnicze transformatora nie powodują znaczących interakcji z napięciami o częstotliwości sieci, natomiast niekorzystnie wchodzą w interakcję z napięciami o kształcie prostokątnym generowanymi w przekształtnikach energoelektronicznych i są przyczyną przepływu prądów pasożytniczych. W układzie transformatora hybrydowego prądy zakłóceniowe wynikające z interakcji pojemności pasożytniczych i napięć pośredniego przekształtnika napięcia mogą przenikać do sieci średniego napięcia powodując niekorzystne stany zakłóceniowe. Znajdujący się w układzie według wynalazku transformator posiada niekorzystnie duże rozmiary rdzenia ze względu na niską częstotliwość pracy. Możliwości zmniejszenia jego gabarytu i uzyskania kompaktowej budowy wymaganej zwłaszcza przy instalacji w budynkach są ograniczone.

Znane są z publikacji H. Akagi: „The next-generation medium-voltage power conversion systems”, Journal of the Chinese Institute of Engineers, Vol. 30, No. 7, pp. 1117-1135 (2007) oraz z publikacji M. Adamowicz, Z. Krzemiński: „Wielopoziomowe przekształtniki średniego napięcia (SN) o budowie modułowej” Automatyka-Elektryka-Zakłócenia, Vol. 5, Nr 3(17), 2014, ss. 56-71 oraz z publikacji EP 2479882A2 Apparatus for transferring electric power between an AC network and a multiphase electric machine oraz z patentu nr US 8553432B2 Power transmission method and power transmission apparatus oraz z publikacji A. Sankala, J. Korhonen, M. Purhonen, J.P. Strom, i inni: „Design of an Active Front End for a Modular Double-Cascade converter”, European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2014 układy izolowanych trójfazowych wielopoziomowych

PL 225 567 B1 kaskadowych przekształtników napięcia, które w każdej fazie składają się z szeregowo połączonych celek o liczbie odpowiadającej liczbie poziomów przekształtnika. Układy te posiadają izolację galwaniczną od trójfazowej sieci prądu przemiennego realizowaną za pomocą transformatorów wysokiej częstotliwości zasilanych z pośrednich przekształtników energoelektronicznych znajdujących się w poszczególnych celkach. Uzwojenia transformatorów wysokiej częstotliwości w każdej celce zwymiarowane są na napięcie o ułamkowej wartości napięcia sieci prądu przemiennego, do której przyłączony jest układ ale muszą posiadać izolację pomiędzy stroną pierwotną a wtórną wytrzymującą pełne napięcie sieci, do której przyłączony jest układ. Współczesna technologia materiałowa umożliwia konstruowanie transformatorów wysokiej częstotliwości o wytrzymałości izolacyjnej 15 kV i większej, co stwarza możliwość przyłączania izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia do krajowej sieci rozdzielczej średniego napięcia. Rozmiary stosowanych w układzie transformatorów wysokiej częstotliwości, a także wymiary całego układu można korzystnie zmniejszać zwiększając częstotliwości pracy tranzystorów. Dostępne na rynku tranzystory mocy z materiału węglika krzemu SiC osiągają maksymalne częstotliwości przełączeń rzędu setek kiloherców.

Znany z publikacji H. Akagi: „The next-generation medium-voltage power conversion systems” układ izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia służącego do przenoszenia energii elektrycznej między dwoma trójfazowymi sieciami średniego napięcia. W układzie tym każda celka przekształtnika składa się z oddzielnego transformatora wysokiej częstotliwości połączonego po obydwu stronach z pośrednimi przekształtnikami napięcia z tranzystorami IGBT. Transformatory w poszczególnych celkach pracują z częstotliwością równą częstotliwości przełączania tranzystorów. Układ znajduje zastosowanie w trójfazowej elektroenergetycznej sieci rozdzielczej o napięciu sieci 6 kV, znajdującej się w Japonii, do łączenia w pierścienie pojedynczych promieni trójfazowej sieci rozdzielczej 6 kV. Układ umożliwia regulację parametrów napięcia sieci oraz regulację przepływu mocy czynnej i biernej pomiędzy promieniami sieci, a dzięki temu, kompensację spadków napięć w trójfazowej sieci rozdzielczej oraz kompensację zakłóceń pochodzących od zainstalowanych w sieci urządzeń, zwłaszcza odbiorników nieliniowych oraz rozproszonych odnawialnych źródłach energii.

Układ znany z publikacji M. Adamowicz, Z. Krzmiński: „Wielopoziomowe przekształtniki średniego napięcia (SN) o budowie modułowej” służy do zasilania napędów elektrycznych z silnikami asynchronicznymi średniego napięcia z trójfazowej sieci przemysłowej prądu przemiennego o napięciu 3,3 kV lub 6 kV. Ze względu na korzystnie małe rozmiary transformatorów wysokiej częstotliwości oraz kompaktową budowę układ znajduje zastosowanie, zwłaszcza na platformach wydobycia ropy naftowej. Transformatory wysokiej częstotliwości mają korzystnie małe wartości pojemności pasożytniczych pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi dzięki czemu pozwalają korzystnie zminimalizować prądy pasożytnicze przepływające w sieci przemysłowej i wywoływane działaniem przekształtników napięcia. Niedogodnością wyżej opisanych układów w przypadku przyłączenia do krajowej trójfazowej sieci rozdzielczej o napięciu 15 kV jest niekorzystnie duża liczba celek, które musiałyby zostać połączone szeregowo w każdej fazie dla uzyskania pełnego napięcia sieci. Wzrost liczby celek w fazie powyżej 10-ciu czyni układ nieopłacalnym ze względu na wysokie koszty obwodów energoelektronicznych i układów sterowania celkami. Jak dotąd wyżej opisane układy nie znalazły zastosowania w trójfazowych sieciach rozdzielczych 15 kV.

Układ znany z publikacji EP 2479882A2 Apparatus for transferring electric power between an AC network and a multiphase electric machine oraz z patentu nr US 8553432B2 Power transmission method and power transmission apparatus oraz z publikacji A. Sankala, J. Korhonen, M. Purhonen, J.P. Strom, i inni: „Design of an Active Front End for a Modular Double-Cascade converter”, European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2014 służy do zasilania silników trójfazowych średniego napięcia z trójfazowej sieci rozdzielczej bądź do przyłączania generatorów do trójfazowej sieci rozdzielczej. W układzie tym w każdej fazie występuje jeden transformator wysokiej częstotliw ości o wielu uzwojeniach nawiniętych na wspólnym rdzeniu. Poszczególne uzwojenia transformatora wielouzwojeniowego w układzie według wynalazku przynależą do poszczególnych celek przekształtnika. Niedogodnością układu są problemy techniczne z wykonaniem transformatora wysokiej częstotliwości o wielu uzwojeniach nawiniętych na wspólnym rdzeniu, zwłaszcza niekorzystne problemy z dotrzymaniem zadanych wartości parametrów indukcyjności i pojemności pasożytniczych pomiędzy uzwojeniami stron pierwotnych i wtórnych.

Układ do przenoszenia energii elektrycznej między trójfazową siecią rozdzielczą średniego napięcia a trójfazową siecią wydzieloną prądu przemiennego składający się z izolowanego trójfazowego

PL 225 567 B1 wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia, który w każdej fazie składa się z szereg owo połączonych celek w liczbie odpowiadającej liczbie poziomów przekształtnika, a każda celka składa się z transformatora połączonego z pośrednim przekształtnikiem energoelektronicznym napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie sieci rozdzielczej średniego napięcia i z pośrednim przekształtnikiem energoelektronicznym napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie sieci wydzielonej prądu przemiennego, przy czym częstotliwość pracy transformatora odpowiada częstotliwości przełączeń tranzystorów pośrednich przekształtników napięcia, a zaciski górnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie sieci w ydzielonej prądu przemiennego są połączone wzajemnie ze sobą w punkcie neutralnym, a zaciski dolnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie sieci wydzielonej prądu przemiennego są odpowiednio połączone z zaciskami sieci wydzielonej prądu przemiennego charakteryzuje się według wynalazku tym, że składa się z trójfazowego autotransformatora o uzwojeniach połączonych w trójkąt, przy czym zaciski wspólne strony pierwotnej i wtórnej autotransformatora połączone są odpowiednio z zaciskami trójfazowej sieci rozdzielczej średniego napięcia oraz z górnymi zaciskami stron pierwotnych filtrów przeciwzakłóceniowych, przy czym zaciski stron pierwotnych oznaczają zaciski filtrów po stronie sieci rozdzielczej średniego napięcia, a zaciski strony wtórnej autotransformatora połączone są z dolnymi zaciskami stron pierwotnych filtrów przeciwzakłóceniowych, a zaciski górne i dolne stron wtórnych filtrów przeciwzakłóceniowych są połączone odpowiednio z zaciskami górnych skrajnych celek i dolnych skrajnych celek izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie trójfazowej sieci rozdzielczej średniego napięcia.

Dzięki konstrukcji według wynalazku możliwe jest zasilanie energią elektryczną w sposób niezawodny grup odbiorników trójfazowych i jednofazowych pracujących w sieci wydzielonej prądu przemiennego, zwłaszcza odbiorników wrażliwych oraz napędów elektrycznych zasilających infrastrukturę krytyczną ważnych procesów i linii produkcyjnych. Wykorzystanie układu według wynalazku zapewnia utrzymywanie zadanych parametrów napięcia w sieci wydzielonej prądu przemiennego oraz w punkcie przyłączenia układu do trójfazowej sieci rozdzielczej średniego napięcia, zwłaszcza w niekorzys tnych przypadkach, gdy w sieci wydzielonej występują zakłócenia, asymetria obciążenia i zmiany p arametrów napięcia spowodowane poborem mocy biernej i odkształconych prądów przez odbiorniki nieliniowe. W przypadku przyłączenia do krajowej trójfazowej sieci rozdzielczej 15 kV, dzięki zastosowaniu autotransformatora, możliwe jest korzystne zmniejszenie liczby celek łączonych szeregowo w każdej fazie izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia, z zachowaniem korzystnych własności izolacji realizowanej za pomocą transformatorów wysokiej częstotliwości, w tym zwłaszcza korzystnie małej pojemności pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi i wtórnymi transformatorów. Znajdujący się w układzie autotransformator będzie zawsze miał korzystnie mniejszy gabaryt niż transformator sieciowy tej samej mocy, a konstrukcja według wynalazku może posiadać korzystną kompaktową budowę, dzięki czemu może być instalowana w miejscach o ograniczonej przestrzeni.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy układu do przenoszenia energii elektrycznej między trójfazową siecią rozdzielczą średniego napięcia a trójfazową siecią wydzieloną prądu przemiennego, a fig. 2 w sposób schematyczny przedstawia schemat ideowy pośredniego przekształtnika napięcia.

Trójfazowy autotransformator AT o uzwojeniach połączonych w trójkąt obniżający napięcie ze strony pierwotnej na stronę wtórną włączony jest zaciskami ZA1, ZB1, ZC1 do trójfazowej sieci ro zdzielczej średniego napięcia SN. Uzwojenia autotransformatora AT posiadają zaciski wspólne stron pierwotnych i wtórnych ZA1, ZB1, ZC1 odpowiednio w pierwszej fazie, w drugiej fazie oraz w trzeciej fazie oraz zaciski stron wtórnych ZA2, ZB2, ZC2 odpowiednio w pierwszej fazie, w drugiej fazie oraz w trzeciej fazie. Zaciski ZA1 oraz ZA2 pierwszej fazy autotransformatora są połączone z zaciskami strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego FA, zaciski drugiej fazy ZB1 oraz ZB2 autotransform atora są połączone z zaciskami strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego FB, a zaciski ZC1 oraz ZC2 są połączone z zaciskami strony pierwotnej filtra przeciwzakłóceniowego FC. Zaciski stron wtórnych trzech filtrów przeciwzakłóceniowych FA, FB, FC są połączone odpowiednio z trzema fazami izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP. Pierwsza faza izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP składa się z n celek CA1, CA2, ..., CAn połączonych szeregowo. Podobnie druga faza izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP składa się z połączoPL 225 567 B1 nych szeregowo n celek CB1, CB2, CBn a jego trzecia faza z połączonych ze sobą szeregowo n celek CC1, CC2, ..., CCn. Górne lewe zaciski skrajnych górnych celek CA1, CB1, CC1 po stronie pierwotnej izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP są połączone odpowiednio z górnymi zaciskami stron wtórnych filtrów przeciwzakłóceniowych FA, FB, FC a dolne zaciski skrajnych dolnych celek CAn, CBn, CCn po stronie pierwotnej izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP są połączone odpowiednio z dolnymi zaciskami stron wtórnych filtrów przeciwzakłóceniowych FA, FB, FC. Każda celka CXi, gdzie X symbolicznie oznacza nazwę fazy A, B lub C, a i oznacza numer celki 1, 2, n (Fig. 1), składa się z transformatora TXi oraz dwóch pośrednich przekształtników napięcia PXij (Fig. 2), gdzie j oznacza numer 1 dla strony pierwotnej bądź numer 2 dla strony wtórnej, a zaciski strony pierwotnej transformatora TXi są połączone z zaciskami ZP3, ZP4 pośredniego przekształtnika napięcia PXil, a zaciski strony wtórnej transformatora TXi są połączone z zaciskami ZP1, ZP2 pośredniego przekształtnika napięcia PXi2 (Fig. 2). Każdy pośredni przekształtnik napięcia PXij (Fig. 2) składa się z kondensatora K oraz czterech tranzystorów z diodami zwrotnymi SŁ1, SŁ2, SŁ3, SŁ4 przekształc ających napięcie po stronie zacisków ZP1, ZP2 oraz czterech tranzystorów z diodami zwrotnymi SŁ5, SŁ6, SŁ7, SŁ8 przekształcających napięcie po stronie zacisków ZP3, ZP4. Górne prawe zaciski skrajnych górnych celek CA1, CB1, CC1 po stronie wtórnej izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP (Fig. 1) będące jednocześnie górnymi prawymi zaciskami pośrednich przekształtników napięcia PA12, PB12, PC12 są połączone ze sobą oraz z zaciskiem ZN przewodu neutralnego trójfazowej sieci wydzielonej prądu przemiennego SW a dolne prawe zaciski skrajnych dolnych celek CAn, CBn, CCn po stronie wtórnej izolowanego trójfazowego 2n+1 poziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia IWKP (Fig. 1) będące jednocześnie dolnymi prawymi zaciskami pośrednich przekształtników napięcia PAn2, PBn2, PCn2 są połączone odpowiednio z zaciskami ZU, ZV, ZW przewodów fazowych trójfazowej sieci wydzielonej prądu przemiennego SW.

Claims (1)

1. Układ do przenoszenia energii elektrycznej między trójfazową siecią rozdzielczą średniego napięcia a trójfazową siecią wydzieloną prądu przemiennego składający się z izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia, który w każdej fazie składa się z szeregowo połączonych celek w liczbie odpowiadającej liczbie poziomów przekształtnika, a każda celka składa się z transformatora połączonego z pośrednim przekształtnikiem energoelektronicznym napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie sieci rozdzielczej średniego napięcia i z pośrednim przekształtnikiem energoelektronicznym napięcia przemiennego na napięcie przemienne po stronie sieci wydzielonej prądu przemiennego, przy czym częstotliwość pracy transformatora odpowiada częstotliwości przełączeń tranzystorów pośrednich przekształtników napięcia, a zaciski górnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie sieci wydzielonej prądu przemiennego są połączone wzajemnie ze sobą w punkcie neutralnym, a zaciski dolnych skrajnych celek w każdej fazie wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia po stronie sieci wydzielonej prądu przemiennego są odpowiednio połączone z zaciskami sieci wydzielonej prądu przemiennego znamienny tym, że składa się z trójfazowego autotransformatora (AT) o uzwojeniach połączonych w trójkąt, przy czym zaciski wspólne strony pierwotnej i wtórnej autotransformatora (ZA1, ZB1, ZC1) połączone są odpowiednio z zaciskami trójfazowej sieci rozdzielczej średniego napięcia (SN) oraz z górnymi zaciskami stron pierwotnych filtrów przeciwzakłóceniowych (FA, FB, FC), przy czym zaciski stron pierwotnych oznaczają zaciski filtrów po stronie sieci rozdzielczej średniego napięcia (SN), a zaciski strony wtórnej autotransformatora (ZA2, ZB2, ZC2) połączone są z dolnymi zaciskami stron pierwotnych filtrów przeciwzakłóceniowych (FA, FB, FC), a zaciski górne i dolne stron wtórnych filtrów przeciwzakłóceniowych (FA, FB, FC) są połączone odpowiednio z zaciskami górnych skrajnych celek (CA1, CB1, CC1) i dolnych skrajnych celek (CAn, CBn, CCn) izolowanego trójfazowego wielopoziomowego kaskadowego przekształtnika napięcia (IWKP) po stronie trójfazowej sieci rozdzielczej średniego napięcia (SN).