RU2446550C1 - Преобразователь напряжения - Google Patents

Abstract

Преобразователь напряжения, имеющий по меньшей мере одно фазное плечо, соединенное с разноименными полюсами стороны постоянного напряжения преобразователя и содержащее последовательное соединение коммутирующих ячеек (7), имеет конструкцию (25), выполненную с возможностью приложения усилия к противоположным концам многоярусной структуры из полупроводниковых блоков для прижатия блоков по направлению друг к другу с целью обеспечения электрического контакта между полупроводниковыми блоками в указанной многоярусной структуре, а также обеспечения перехода полупроводниковых блоков первого контура (23) каждой коммутирующей ячейки преобразователя в состояние постоянно замкнутой цепи в случае отказа соответствующей коммутирующей ячейки. Второй контур (27) каждой коммутирующей ячейки имеет средство (29), выполненное с возможностью поддержания указанного второго контура, включающего аккумулирующий электроэнергию конденсатор (20), в непроводящем состоянии при возникновении указанного отказа. Технический результат - обеспечение надежного резервирования. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к преобразователю напряжения, имеющему по меньшей мере одно фазное плечо, соединенное с разноименными полюсами стороны постоянного тока преобразователя и содержащее последовательное соединение коммутирующих ячеек, причем каждая указанная коммутирующая ячейка имеет по меньшей мере два контура тока между ее клеммами, при этом первый контур тока образован одним или несколькими первыми полупроводниковыми блоками, соединенными последовательно и имеющими каждый полупроводниковое устройство запираемого типа и соединенный параллельно с ним обратный диод, а второй контур включает последовательное соединение, с одной стороны, по меньшей мере одного второго полупроводникового блока, имеющего полупроводниковое устройство запираемого типа и соединенный параллельно с ним обратный диод, и, с другой стороны, по меньшей мере один аккумулирующий электроэнергию конденсатор, причем средняя точка указанного последовательного соединения образует фазный выход, выполненный с возможностью подключения к стороне переменного напряжения преобразователя, причем каждая указанная коммутирующая ячейка выполнена с возможностью получения двух коммутационных состояний посредством управления указанными полупроводниковыми устройствами каждой коммутирующей ячейки, а именно первого коммутационного состояния, в котором указанный первый контур находится в непроводящем состоянии, а к клеммам коммутирующей ячейки приложено напряжение на указанном по меньшей мере одном аккумулирующем электроэнергию конденсаторе, и второго коммутационного состояния, в котором указанный первый контур замкнут, а к клеммам коммутирующей ячейки приложено нулевое напряжение, для получения определенного переменного напряжения на указанном фазном выходе.

Уровень техники

Такие преобразователи могут иметь любое количество указанных фазных плеч, но обычно они содержат три фазных плеча, чтобы обеспечить трехфазное переменное напряжение на стороне переменного напряжения преобразователя.

Преобразователь напряжения этого типа может использоваться в различных случаях, когда постоянное напряжение подлежит преобразованию в переменное напряжение и наоборот. Примером такого случая являются подстанции высоковольтной системы передачи электроэнергии постоянного тока (ПЭПТ), в которых, как правило, постоянное напряжение преобразовывается в трехфазное переменное напряжение или наоборот, или так называемые вставки постоянного тока (ВПТ), в которых переменное напряжение сначала преобразовывается в постоянное напряжение, которое затем преобразовывается в переменное напряжение, а также статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ), в которых сторона постоянного тока состоит лишь из конденсаторов. Однако настоящее изобретение не ограничивается указанными задачами и также может использоваться для выполнения других задач, например в различных типах привода механизмов, транспортных средств и т.п.

Преобразователь напряжения этого типа известен, например, из патентной заявки Германии №10103031 A1 и международной публикации WO 2007/023064 A1, и, как и в указанных документах, обычно называется многоячейковым преобразователем или модульным многоуровневым преобразователем (M²LC). Описание работы преобразователя этого типа можно найти в указанных публикациях. Выполнение указанных коммутирующих ячеек преобразователя может отличаться от описанных в указанных публикациях. Например, каждая коммутирующая ячейка может иметь более одного аккумулирующего электроэнергию конденсатора при условии обеспечения возможности управления переключением коммутирующей ячейки между описанными в разделе «Область техники» состояниями.

Другой преобразователь напряжения этого типа известен из патента США №5642275, где он используется в статическом компенсаторе реактивной мощности, и в котором коммутирующие ячейки выполнены иначе - по так называемой полномостовой схеме.

Настоящее изобретение главным образом относится к таким преобразователям напряжения, которые выполнены с возможностью передачи большой мощности, но не ограничивается ими. Поэтому далее с целью раскрытия, но не ограничения настоящего изобретения, рассматривается в основном случай передачи большой мощности. Применение такого преобразователя напряжения для передачи большой мощности означает использование высоких напряжений, при этом напряжение стороны постоянного напряжения преобразователя определяется напряжениями на аккумулирующих электроэнергию конденсаторах коммутирующих ячеек. Это приводит к необходимости последовательного соединения относительно большого количества коммутирующих ячеек при большом количестве полупроводниковых устройств, то есть указанные полупроводниковые блоки подлежат последовательному соединению в каждой указанной коммутирующей ячейке. Использование преобразователя напряжения этого типа особенно целесообразно, когда количество коммутирующих ячеек в указанном фазном плече относительно велико. Большое количество таких коммутирующих ячеек, срединных последовательно, позволяет путем управления переключением указанных коммутирующих ячеек между указанным первым и вторым коммутационными состояниями получать на выходе указанной фазы переменное напряжение, очень близкое к синусоидальному напряжению. Такое напряжение может быть получено уже на частотах коммутации, по существу меньших, чем частоты, используемые обычно в известных типах преобразователей напряжения, показанных на фиг.1 в патентной заявке Германии №10103031 A1, содержащих коммутирующие ячейки по меньшей мере с одним полупроводниковым устройством запираемого типа и соединенным с ним встречно-параллельно по меньшей мере одним обратным диодом. Это позволяет по существу уменьшить потери, значительно упростить фильтрацию, уменьшить токи гармоник и электромагнитные помехи, тем самым уменьшив стоимость оборудования.

В преобразователях этого типа, в которых для обеспечения работы при высоких напряжениях коммутирующие ячейки могут быть соединены последовательно, может уменьшиться надежность, так как отказ одной коммутирующей ячейки или ее полупроводникового блока может повлиять на работу всего преобразователя. В международной публикации WO 2007/023064 предложено решение этой проблемы путем обеспечения резервирования. Резервирование осуществляется путем замыкания накоротко ячейки, в которой возник отказ, шунтирующим ключом. Однако это предъявляет жесткие требования к надежности используемого средства, то есть ключа, используемого для замыкания накоротко коммутирующей ячейки, а также требует обеспечения надежного управления указанным средством.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является реализация преобразователя напряжения описанного в разделе «Область техники» типа, в котором решение проблемы обеспечения резервирования на случай отказа коммутирующей ячейки преобразователя, по меньшей мере в некоторых аспектах, более предпочтительно, чем в известных решениях.

В соответствии с изобретением эта цель достигается преобразователем напряжения, описанным в разделе «Область техники», в котором указанные первые полупроводниковые блоки указанных коммутирующих ячеек образуют многоярусные структуры, каждая из которых содержит по меньшей мере один полупроводниковый блок, причем преобразователь содержит конструкцию, выполненную с возможностью обеспечения электрического контакта между полупроводниковыми блоками в указанной многоярусной структуре, а также обеспечения перехода полупроводниковых блоков указанного первого контура в состояние постоянно замкнутой цепи в случае отказа соответствующей коммутирующей ячейки, причем указанный второй контур каждой коммутирующей ячейки имеет средство, выполненное с возможностью поддержания непроводящего состояния указанного второго контура при возникновении указанного отказа.

Благодаря использованию так называемой прижимной схемы, описанной в патенте США №5705853, для взаимного соединения полупроводниковых блоков в указанном первом контуре между клеммами каждой коммутирующей ячейки может быть обеспечен переход указанного первого контура в состояние постоянно замкнутой цепи и тем самым при возникновении отказа коммутирующей ячейки обеспечено ее автоматическое шунтирование. Кроме того, конструкция указанного средства в указанном втором контуре каждой коммутирующей ячейки обеспечивает поддержание каждого указанного второго контура в непроводящем состоянии при возникновении указанного отказа, так что аккумулирующий электроэнергию конденсатор отключается в случае такого отказа, что очень важно для защиты других компонентов преобразователя. Таким образом, указанное средство обеспечивает хорошее функционирование прижимной схемы в последовательном соединении коммутирующих ячеек посредством обеспечения отсоединения конденсаторов при возникновении указанного отказа. Соответственно коммутирующие ячейки в соответствии с настоящим изобретением обладают большой надежностью, которая достигается очень простыми средствами.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения указанное средство содержит элемент, выполненный с возможностью взаимного соединения вторых полупроводниковых блоков в указанном втором контуре и выполненный с возможностью разрушения и перевода тем самым указанного второго контура в состояние разомкнутой цепи при возникновении указанного отказа. Этот вариант осуществления надежно и экономически эффективно обеспечивает состояние непроводимости указанного второго контура при возникновении указанного отказа коммутирующей ячейки. Другой эффективный способ описан в другом варианте осуществления изобретения, в котором указанный элемент содержит по меньшей мере один провод, соединяющий вторые полупроводниковые блоки друг с другом и выполненный с возможностью полного перегорания и электрического отсоединения указанного второго полупроводникового блока из-за сверхтока, протекающего по этому проводу при возникновении указанного отказа. Такие соединенные проводом модули из полупроводниковых блоков, соединенных последовательно, дешевле, чем модули, выполненные в виде многоярусных структур, в которых используется так называемая прижимная схема, и такой традиционный способ соединения вторых полупроводниковых блоков может использоваться для обеспечения надежного отсоединения аккумулирующего электроэнергию конденсатора в случае отказа коммутирующей ячейки.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения указанное средство содержит элемент, соединенный последовательно с указанными аккумулирующим электроэнергию конденсатором в указанном втором контуре и выполненный с возможностью полного перегорания из-за сверхтока, протекающего в указанном втором контуре при возникновении отказа. Предпочтительно этот элемент является предохранителем. Это значит, что указанные вторые полупроводниковые блоки также могут образовывать многоярусные структуры с использованием указанной прижимной схемы, когда необходимо максимально уменьшить размеры преобразователя, но при этом обеспечить отсоединение аккумулирующего электроэнергию конденсатора коммутирующей ячейки, в которой возник отказ, при возникновении такого отказа.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения указанное средство содержит элемент, соединенный последовательно с указанными аккумулирующим электроэнергию конденсатором в указанном втором контуре и выполненный с возможностью механического разрывания указанного второго контура при возникновении указанного отказа. Изобретение также включает выполнение механического ключа в указанном втором контуре для отсоединения аккумулирующего электроэнергию конденсатора при возникновении указанного отказа.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения указанная конструкция содержит средство, выполненное с возможностью приложения усилия, создаваемого пружиной, к каждой указанной многоярусной структуре с прижатием двух концов многоярусной структуры по направлению друг к другу при высвобождении потенциальной энергии, запасенной в элементах указанного средства. Указанные элементы могут быть любыми элементами, накапливающими потенциальную энергию при сжатии, и согласно другому варианту осуществления изобретения являются пружинами, действующими по меньшей мере на один конец каждой указанной многоярусной структуры, причем указанные пружины могут являться механическими пружинами, а также пружинами другого типа, например газовыми пружинами. Это значит, что электрический контакт между полупроводниковыми блоками может быть обеспечен с большой надежностью независимо от отклонения размеров блоков, как, например, в случае параллельного соединения полупроводниковых блоков в указанной многоярусной структуре. Кроме того, исключается опасность разрушения взаимного соединения смежных полупроводниковых блоков из-за сверхтока, протекающего при возникновении указанного отказа, с обеспечением состояния постоянной проводимости неисправного полупроводникового блока и, соответственно, шунтированием коммутирующей ячейки.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения каждая указанная коммутирующая ячейка имеет N указанных первых полупроводниковых блоков, следующих друг за другом в указанной многоярусной структуре, причем N - целое число, такое что N≥22 или N≥24.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения количество коммутирующих ячеек указанного фазного плеча больше или равно 4, 12, 30 или 50. Использование преобразователя этого типа, как указано выше, особенно целесообразно, когда количество коммутирующих ячеек указанного фазного плеча довольно большое, что позволяет обеспечить большое количество возможных уровней импульсов напряжения, подаваемых на указанный фазных выход.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения полупроводниковые устройства блоков коммутирующих ячеек являются биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), тиристорами с интегрированным управлением (IGCT) или запираемыми тиристорами (GTO). Эти полупроводниковые устройства подходят для таких преобразователей, однако также могут использоваться другие полупроводниковые устройства запираемого типа.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения сторона постоянного напряжения указанного преобразователя подключена к сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения, а сторона переменного напряжения подключена к фазному проводнику переменного напряжения сети переменного напряжения. Такой способ включения используется из-за необходимости большого количества полупроводниковых блоков.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения преобразователь является частью статического компенсатора реактивной мощности, причем сторона постоянного напряжения образована указанными аккумулирующими электроэнергию конденсаторами коммутирующих ячеек, а фазный выход переменного напряжения подключен к сети переменного напряжения. При возникновении отказа в так называемой полномостовой коммутирующей ячейке преобразователя этого типа эта коммутирующая ячейка преобразовывается в полумостовую ячейку модульного многоуровневого типа, поэтому важно, чтобы при возникновении еще одного отказа в коммутирующей ячейке указанный первый контур переходил в состояние постоянно замкнутой цепи, указанный второй контур поддерживался в непроводящем состоянии, а аккумулирующий электроэнергию конденсатор коммутирующей ячейки отсоединялся, что обеспечивается преобразователем в соответствии с этим вариантом осуществления изобретения.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения постоянное напряжение между указанными двумя полюсами преобразователя равно 1-1200 кВ, 10-1200 кВ, 100-1200 кВ. Чем больше указанное постоянное напряжение, тем более целесообразно использование изобретения.

Изобретение также относится к системе для передачи электроэнергии в соответствии с прилагаемым пунктом формулы изобретения. Подстанции такой системы могут иметь малые размеры и большую надежность при низкой цене.

Другие преимущества, а также признаки изобретения, обеспечивающие технический результат, станут очевидны из последующего описания.

Краткое описание чертежей

Ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи в качестве примера приведено описание вариантов осуществления изобретения.

На чертежах:

фиг.1 представляет собой упрощенную схему преобразователя напряжения предлагаемого типа;

фиг.2 и 3 представляют собой две разные известные коммутирующие ячейки, которые могут являться частью преобразователя напряжения в соответствии с изобретением;

фиг.4 представляет собой упрощенную схему преобразователя напряжения, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.5 представляет собой упрощенную схему коммутирующей ячейки показанного на фиг.3 типа, выполненной в преобразователе в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;

фиг.6 представляет собой схему, соответствующую схеме на фиг.5, коммутирующей ячейки в преобразователе в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;

фиг.7 представляет собой схему, соответствующую схеме на фиг.5, коммутирующей ячейки в преобразователе в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;

фиг.8 представляет собой упрощенную схему преобразователя в соответствии с настоящим изобретением, используемого в статическом компенсаторе реактивной мощности;

фиг.9 представляет собой схему коммутирующей ячейки преобразователя, показанного на фиг.8; и

фиг.10 иллюстрирует работу коммутирующей ячейки, показанной на фиг.9, при возникновении в ней отказа.

Осуществление изобретения

На фиг.1 в целом показана упрощенная схема преобразователя 1 напряжения, относящегося к настоящему изобретению. Этот преобразователь имеет три фазных плеча 2-4, подключенных к разноименным полюсам 5, 6 на стороне постоянного напряжения преобразователя, например сети постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения. Каждое фазное плечо содержит последовательное соединение коммутирующих ячеек 7, обозначенных квадратами, в данном случае в количестве шестнадцати штук, и это последовательное соединение разделено на две равные части: верхнюю вентильную ветвь 8 и нижнюю вентильную ветвь 9, разделенные средней точкой 10-12, образующей фазный выход, выполненный с возможностью подключения к стороне переменного напряжения преобразователя. Фазные выходы 10-12 через трансформатор могут быть подключены к трехфазной сети переменного напряжения, нагрузке и т.п. На указанной стороне переменного напряжения также установлено фильтрующее оборудование для улучшения формы переменного напряжения на указанной стороне переменного напряжения.

Для управления коммутирующими ячейками 7 предусмотрено устройство 13 управления.

Преобразователь напряжения содержит коммутирующие ячейки 7, которые имеют, с одной стороны, по меньшей мере два полупроводниковых блока, каждый из которых содержит полупроводниковое устройство запираемого типа и соединенный параллельно с ним обратный диод, и, с другой стороны, по меньшей мере один аккумулирующий электроэнергию конденсатор. Два примера таких ячеек показаны на фиг.2 и фиг.3. Клеммы 14, 15 коммутирующей ячейки выполнены с возможностью подключения к смежным коммутирующим ячейкам в последовательном соединении коммутирующих ячеек, образующем фазное плечо. Полупроводниковые устройства 16, 17 в этом случае являются биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT), соединенными параллельно с диодами 18, 19. Несмотря на то, что в каждом полупроводниковом блоке показано только одно полупроводниковое устройство и один диод, они могут обозначать несколько полупроводниковых устройств и диодов соответственно, соединенных параллельно для деления тока, протекающего в блоке. Аккумулирующий электроэнергию конденсатор 20 подключен параллельно к соответствующему последовательному соединению диодов и полупроводниковых устройств. Клемма 14 подключена к средней точке между двумя полупроводниковыми устройствами, а также к средней точке между двумя диодами. Другая клемма 15 подключена к аккумулирующему электроэнергию конденсатору 20 с одной стороны конденсатора в варианте осуществления, показанном на фиг.2, и с другой стороны конденсатора в варианте осуществления, показанном на фиг.3. Следует отметить, что каждое полупроводниковое устройство и каждый диод, показанные на фиг.2 и 3, могут представлять собой несколько соединенных последовательно полупроводниковых устройств и диодов для обеспечения возможности работы при требуемых напряжениях, причем может осуществляться одновременное управление указанными соединенными последовательно полупроводниковыми устройствами, чтобы они действовали как одно единое полупроводниковое устройство.

Управление коммутирующими ячейками, показанными на фиг.2 и фиг.3, может осуществляться так, чтобы получить a) первое состояние коммутации и b) второе состояние коммутации, причем в состоянии a) к клеммам 14, 15 прикладывается напряжение на конденсаторе 20, а в состоянии b) нулевое напряжение. Для получения первого состояния на фиг.2 полупроводниковое устройство 16 включается, а полупроводниковое устройство 17 выключается, а в варианте осуществления в соответствии с фиг.3 полупроводниковое устройство 17 включается, а полупроводниковое устройство 16 выключается. Коммутирующие ячейки переключаются во второе состояние путем изменения состояния полупроводниковых устройств, так что в варианте осуществления в соответствии с фиг.2 полупроводниковое устройство 16 выключается, а полупроводниковое устройство 17 включается, а на фиг.3 полупроводниковое устройство 17 выключается, а полупроводниковое устройство 16 включается.

На фиг.4 показано подробнее, как фазное плечо преобразователя в соответствии с фиг.1 образовано коммутирующими ячейками показанного на фиг.3 типа, при этом для упрощения схемы десять коммутирующих ячеек полностью опущены. Устройство 13 управления выполнено с возможностью управления коммутирующими ячейками посредством управления их полупроводниковыми устройствами так, чтобы напряжение на них, добавляемое к напряжениям других коммутирующих ячеек в указанном последовательном соединении, равнялось либо нулю, либо напряжению на конденсаторе. На чертеже также показаны трансформатор 21 и фильтрующее оборудование 22. Как показано, каждая вентильная ветвь соединена с фазным реактором 50, 51, подключенным к фазному выходу 10. Такие фазные реакторы также должны быть предусмотрены на фиг.1 для фазных выходов 10, 11 и 12, но опущены для упрощения схемы.

На фиг.5 показана упрощенная схема коммутирующей ячейки показанного на фиг.3 типа, выполненной в преобразователе в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Каждая коммутирующая ячейка имеет первый токовый контур 23, образованный множеством первых полупроводниковых блоков 24, схематично обозначенных пластиной, соединенных последовательно и имеющих каждый полупроводниковое устройство запираемого типа и соединенный параллельно с ним обратный диод, как показано на фиг.3. Конструкция 25 выполнена с возможностью приложения усилия к противоположным концам такой многоярусной структуры 30 из первых полупроводниковых блоков для прижатия блоков по направлению друг к другу, так чтобы получить электрический контакт между полупроводниковыми модулями в указанной многоярусной структуре. Для этого указанная конструкция имеет элементы, запасающие потенциальную энергию, в виде пружин 26, действующих по меньшей мере на один конец каждой указанной многоярусной структуры для прижатия двух концов многоярусной структуры по направлению друг к другу при высвобождении накопленной в них энергии. Эта так называемая прижимная конструкция указанных первых полупроводниковых блоков обеспечивает их взаимное соединение, которое может проводить очень большие токи.

Коммутирующая ячейка также содержит второй контур 27 тока, включающий последовательное соединение, с одной стороны, по меньшей мере одного второго полупроводникового блока 28, имеющего полупроводниковое устройство запираемого типа и соединенный параллельно с ним обратный диод, и, с другой стороны, по меньшей мере один аккумулирующий электроэнергию конденсатор 20.

Важно, чтобы при возникновении отказа в коммутирующей ячейке коммутирующая ячейка замыкалась накоротко, а аккумулирующий электроэнергию конденсатор 20 не мог разрядиться по второму контуру 27. При возникновении отказа коммутирующая ячейка, составленная первыми полупроводниковыми блоками 24, и коммутирующая ячейка, составленная вторыми полупроводниковыми блоками 28, разомкнуты. При этом ток разряда конденсатора 20 разрушает первые полупроводниковые блоки 24, так что они переходят в состояние постоянно замкнутой цепи, шунтируя коммутирующую ячейку 7. При этом также важно, чтобы второй контур 27 оставался непроводящим для отключения конденсатора 20 от остального преобразователя. Это можно обеспечить различными путями. Например, в качестве полупроводниковых устройств во вторых полупроводниковых блоках можно использовать тиристоры с интегрированным управлением (IGCT) или запираемые тиристоры (GTO), которые могут отсекать напряжение, возникающее в случае отказа, так что при возникновении указанного отказа для отключения конденсатора не требуется переводить второй контур в состояние разомкнутой цепи.

В варианте осуществления, показанном на фиг.5, вторые полупроводниковые блоки 28 во втором контуре также могут быть соединены между собой обычными проводами, выполненными с возможностью полного перегорания из-за сверхтока, протекающего во втором контуре при возникновении отказа.

Коммутирующая ячейка в варианте осуществления, показанном на фиг.6, отличается от коммутирующей ячейки в соответствии с фиг.5 конструкцией элемента 29, соединенного последовательно с указанным аккумулирующим электроэнергию конденсатором в указанном втором контуре 27 и выполненного с возможностью полного перегорания из-за сверхтока, протекающего в указанном втором контуре при возникновении указанного отказа. Этот элемент в данном случае является проводом, соединяющим полупроводниковые блоки с клеммой 14 коммутирующей ячейки.

На фиг.7 показана коммутирующая ячейка в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, в котором узнанный перегорающий элемент образован предохранителем 29'. В двух вариантах осуществления, показанных на фиг.6 и 7, также можно использовать так называемую прижимную схему для взаимного соединения полупроводниковых блоков 28 во втором контуре, так как отключение конденсатора 20 обеспечивается конструкцией элементов 29 и 29' соответственно. Элемент 29', показанный на фиг.7, также может представлять собой механический ключ, выполненный с возможностью размыкания при возникновении указанного отказа.

На фиг.8 показана общая схема преобразователя напряжения в соответствии с настоящим изобретением, используемого в статическом компенсаторе реактивной мощности для компенсации реактивной мощности. Сторона постоянного напряжения этого преобразователя образована указанными аккумулирующими электроэнергию конденсаторами коммутирующих ячеек 7'', а коммутирующие ячейки 7'' преобразователя выполнены по так называемой полномостовой схеме с полупроводниковыми блоками, имеющими полупроводниковое устройство запираемого типа и соединенный параллельно с ним диод, как описано в патенте США №5642275.

Со ссылкой на фиг.9 и 10 рассмотрим возникновение отказа в коммутирующей ячейке 7''. При возникновении отказа один из модулей A и B переходит в состояние постоянной проводимости, а другой выключается. Предположим, что модуль A переходит в состояние постоянной проводимости, а модуль B выключается. Такой случай соответствует схеме, показанной на фиг.10, которая соответствует коммутирующей ячейке, показанной на фиг.5-7. Модуль C в соответствии с изобретением выполнен по прижимной схеме, а модуль D имеет тот же признак, что и описанный для вторых полупроводниковых блоков 28 в коммутирующих ячейках в соответствии с любым из фиг.5-7. Это значит, что при возникновении еще одного отказа в этой коммутирующей ячейке первый контур 23 переходит в состояние постоянно замкнутой цепи посредством разрушения модуля С, а второй контур 27 переходит в непроводящее состояние, например состояние постоянно разомкнутой цепи, с отключением конденсатора 20.

Изобретение, конечно, не ограничивается каким-либо образом описанными выше вариантами осуществления. Напротив, специалисту в данной области техники очевидно множество возможностей изменения изобретения без отклонения от основной идеи изобретения, определенной прилагаемой формулой изобретения.

Следует отметить, что включение только одного полупроводникового блока в каждую указанную многоярусную структуру и выполнение только одного полупроводникового устройства этого блока в соответствии с указанной прижимной конструкцией входит в объем настоящего изобретения. Отдельные прижимные контакты для каждого полупроводникового устройства и диода могут быть выполнены, как описано в патенте США №5705853. Также можно использовать устройства дискового типа с таблеточными элементами, в которых электрический контакт достигается посредством внешнего усилия (например, прижимная многоярусная схема). Схематичные иллюстрации на фиг.5-7 распространяются на эти альтернативные варианты использования прижимной схемы.

Claims (15)

1. Многоячейковый преобразователь, имеющий по меньшей мере одно фазное плечо (2-4), соединенное с разноименными полюсами (5, 6) стороны постоянного напряжения преобразователя и содержащее последовательное соединение коммутирующих ячеек (7, 7', 7''), причем каждая коммутирующая ячейка имеет по меньшей мере два контура (23, 27) тока между ее клеммами (14, 15), при этом первый контур (23) тока образован одним или более первыми полупроводниковыми блоками (24), которые соединены последовательно и каждый из которых имеет полупроводниковое устройство (16, 17) запираемого типа и соединенный параллельно с ним обратный диод (18, 19), а второй контур (27) тока включает последовательное соединение, с одной стороны, по меньшей мере одного второго полупроводникового блока (28), имеющего полупроводниковое устройство запираемого типа и соединенный параллельно с ним обратный диод, и, с другой стороны, по меньшей мере одного аккумулирующего электроэнергию конденсатора (20), причем средняя точка указанного последовательного соединения коммутирующих ячеек образует фазный выход (10-12), выполненный с возможностью подключения к стороне переменного напряжения преобразователя, отличающийся тем, что первые полупроводниковые блоки (24) коммутирующих ячеек (7, 7', 7'') образуют многоярусные структуры, каждая из которых содержит по меньшей мере один полупроводниковый блок, причем преобразователь содержит конструкцию (25), выполненную с возможностью обеспечения электрического контакта между полупроводниковыми блоками (24) в указанной многоярусной структуре, а также обеспечения перехода полупроводниковых блоков первого контура (23) в состояние постоянно замкнутой цепи в случае отказа соответствующей коммутирующей ячейки, при этом второй контур (27) каждой коммутирующей ячейки (7, 7', 7'') имеет средство (29, 29') для поддержания второго контура в непроводящем состоянии при возникновении отказа.

2. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанное средство содержит элемент, выполненный с возможностью взаимного соединения вторых полупроводниковых блоков (28) во втором контуре (27) и с возможностью разрушения и перевода тем самым второго контура в состояние разомкнутой цепи при возникновении отказа.

3. Многоячейковый преобразователь по п.2, отличающийся тем, что указанный элемент содержит по меньшей мере один провод, соединяющий вторые полупроводниковые блоки (28) друг с другом и выполненный с возможностью перегорания и электрического отсоединения второго полупроводникового блока из-за сверхтока, протекающего по этому проводу при возникновении отказа.

4. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанное средство содержит элемент (29, 29'), соединенный последовательно с аккумулирующим электроэнергию конденсатором (20) во втором контуре (27) и выполненный с возможностью перегорания из-за сверхтока, протекающего во втором контуре при возникновении отказа.

5. Многоячейковый преобразователь по п.4, отличающийся тем, что указанный элемент является предохранителем (29').

6. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанное средство содержит элемент (29'), соединенный последовательно с аккумулирующим электроэнергию конденсатором (20) во втором контуре (27) и выполненный с возможностью механического разрывания второго контура при возникновении отказа.

7. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что указанная конструкция (25) содержит средство для приложения усилия, создаваемого пружиной, к каждой многоярусной структуре с прижатием двух концов многоярусной структуры по направлению друг к другу при высвобождении потенциальной энергии, запасенной в элементах (26) указанного средства.

8. Многоячейковый преобразователь по п.7, отличающийся тем, что указанные элементы (26), запасающие потенциальную энергию, являются пружинами, действующими по меньшей мере на один конец каждой многоярусной структуры.

9. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждая коммутирующая ячейка (7, 7', 7'') имеет N первых полупроводниковых блоков, следующих один за другим в многоярусной структуре, причем N - целое число, такое что N≥2 или N≥4.

10. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что количество коммутирующих ячеек (7, 7', 7'') фазных плеч (2-4) больше или равно 4, 12, 30 или 50.

11. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые устройства (16, 17) блоков коммутирующих ячеек являются биполярными транзисторами с изолированным затвором, тиристорами с интегрированным управлением или запираемыми тиристорами.

12. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что его сторона постоянного напряжения подключена к сети (5, 6) постоянного напряжения для передачи постоянного тока высокого напряжения, а сторона переменного напряжения подключена к фазному проводнику переменного напряжения сети переменного напряжения.

13. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он является частью статического компенсатора реактивной мощности, причем сторона постоянного напряжения образована аккумулирующими электроэнергию конденсаторами (20) коммутирующих ячеек, а фазный выход (10-12) переменного напряжения подключен к сети переменного напряжения.

14. Многоячейковый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что постоянное напряжение между двумя полюсами (5, 6) равно 1-1200 кВ, 10-1200 кВ или 100-1200 кВ.

15. Система для передачи электроэнергии, содержащая сеть постоянного тока и по меньшей мере одну сеть переменного тока, подключенную к ней через подстанцию, причем указанная подстанция выполнена с возможностью передачи электроэнергии между сетью постоянного тока и сетью переменного тока и содержит по меньшей мере один многоячейковый преобразователь, выполненный с возможностью преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение и переменного напряжения в постоянное напряжение, отличающаяся тем, что указанная подстанция системы содержит многоячейковый преобразователь по любому из пп.1-14.

Images