SE504522C2 - Kraftöverföring med högspänd likström innefattande fler än två strömriktarstationer - Google Patents

Description

504 522 2 TEKNIKENS STANDPUNKT Vid kraftöverföring medelst högspänd likström mellan flera än två strömriktarstationer är två skilda principer kända, seriekoppling respektive parallellkoppling av de i kraftöverföringsanläggningen ingående strömriktarstationerna. Vid seriekoppling, vilket innebär att samtliga stationer genomflytes av samma likström, sker effektregleringen genom spänningsreglering av var och en av stationerna. Detta innebär dock i praktiken ett förhållandevis begränsat regleromräde. Vid parallellkoppling av strömriktarstationerna, vilket innebär att samtliga stationer är anslutna till samma spänning, sker effektregleringen genom reglering av strömmen genom respektive strörnriktare. Denna lösning ger en större frihet vad gäller reglermöjligheter men innebär att var och en av stationerna måste dimensioneras för full spänning. Detta blir kostsamt särskilt för de fall den effekt som skall avtappas från likströmslinjen är förhållandevis låg.

Den amerikanska patentskriften US 4, 259, 713 beskriver en strömriktarstation för avtappning av effekt från en likströmslinje i en kraftöverföring för högspänd likström. Strömriktarstationen innefattar en växelriktare utlagd för en spänning som väsentligen understiger linjespänningen och som är ansluten till likströmslinjen via en likspänningsomvandlare. Likspänningsomvandlaren innefattar, förutom induktiva och kapacitiva komponenter, dioder och en pulsstyrd tyristor.

Tyristorn kan förses med en svängningskrets för släckning eller alternativt vara utförd som en släckbar tyristor.

Likspänningsomvandlaren innefattar ett stort antal komponenter och måste läggas ut för hela linjespänningen, vilket innebär att den blir förhållandevis kostsam. Då likspänningsomvandlaren ur isolations~ synpunkt måste dimensioneras för hela linjespänningen är den ej lärnpad att utföras som kapslad utomhusanordning, vilket i många fall är önskvärt.

Vid ett fel i styrningen av tyristorn eller i tyristorn själv, innebärande att denna blir kontinuerligt ledande, utsätts växelriktaren samt de komponenter i likspänningsomvandlaren som ligger mellan tyristorn och växelriktaren för en förhöjd likspänning. 3 504 522 REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en kraftöverföring av inledningsvis angivet slag, vilken är förbättrad med avseende på ovan nämnda nackdelar med känd teknik.

Vad som kännetecknar en kraftöverföring enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Fördelaktiga vidareutvecklingar av uppfinningen framgår av nedanstående beskrivning och patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall närmare förklaras genom beskrivning av utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, i vilka figur 1 visar schematiskt ett en-linjediagram över en kraftöverföring enligt uppfinningen, figur 2 visar schematiskt en utföringsform av en omvandlarkrets innefattad i en likspänningsomvandlare enligt uppfinningen, och figur 3 visar schematiskt en generell utföringsform av en likspänningsomvandlare enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Figur 1 visar i form av ett en-linjediagram en kraftöverföring för överföring av högspänd likström, innefattande en likriktarstation 1, en växelriktar- station 2 samt en tredje strömriktarstation 3. Lik- och växelriktar- stationerna, som är utförda på något i och för sig känt sätt, innefattar var och en en strömriktare la, 2a, vilken över en transformator lb, 2b är ansluten till ett trefasigt växelströmsnät 1c, 2c. Lik- och växelriktaren är sinsemellan förbundna med en likspänningsförbindelse 4 utgörande en pol i kraftöverföringen och deras strömkrets slutes via jord, utgörande kraftöverföríngens neutralpol, medelst två jordtag Id, 2d. Den tredje strömriktarstationen innefattar en på något i och för sig känt sätt utförd 504 522 4 strömriktare 3a, en likspänningsomvandlare 5, en styrutrustning 6 och en filterenhet 7. Strörnriktaren 3a är över en transformator 3b ansluten till ett trefasigt växelströmsnät 3c. Likspänningsomvandlaren 5 är med ett första uttag 51 via filterenheten 7 ansluten till likspänningsförbindelsen 4 och med ett andra uttag 52 ansluten till ett jordtag 5d. Strömriktaren 3a är med sitt ena likspänningsuttag ansluten till ett tredje uttag 53 på likspänningsomvandlaren och med sitt andra likspänningsuttag till ett jordtag 3d. Styrutrustningen 6 avger till strömriktaren 3a styrsignaler CL* för att på något i och för sig känt sätt styra denna och till likspänningsomvandlaren styrsignaler CVD*, vilka nedan skall ytterligare beskrivas. Likriktar- och växelriktarstationerna l och 2 respektive styrs på något i och för sig känt sätt med en i figurerna icke visad styrutrustning.

Likspänningsomvandlaren innefattar ett första, ett andra, ett tredje och ett fjärde omvandlarsteg 8:1, 8:2, 8:3, 8:4 respektive, vart och ett med en plusterminal TP:1, TP:2, TP:3, TP:4, en minusterminal TMzl, TM:2, TM:3, TMz4 och en utgångsterminal TO:1, TO:2, TO:3, TO:4 respektive. Det första omvandlarstegets plusterminal TP:1 är anslutet till likspännings- omvandlarens första uttag 51 och det fjärde omvandlarstegets minus- terminal TM:4 är anslutet till likspänningsomvandlarens andra uttag 52.

Det fjärde omvandlarstegets utgångsterminal TO:4 är anslutet till likspänningsomvandlarens tredje uttag 53. Sinsemellan är det första och det andra omvandlarsteget anslutna så att det andra omvandlarstegets plusterminal TP:2 är ansluten till det första omvandlarstegets utgångsterminal TO:1 och det andra omvandlarstegets utgångsterminal TO:2 är ansluten till det första omvandlarstegets minusterminal TM:1.

Vidare är det tredje omvandlarstegets plusterminal TP:3 ansluten till det andra omvandlarstegets utgångsterminal TO:2 och det tredje omvandlar- stegets utgångsterminal TO:3 är ansluten till det andra omvandlarstegets minusterminal TM:2. Slutligen är det fjärde omvandlarstegets plus- terminal TP:4 ansluten till det tredje omvandlarstegets utgångsterminal TO:3 och det fjärde omvandlarstegets utgångsterminal TOz4 är ansluten till det tredje omvandlarstegets minusterminal TM:3.

Vart och ett av omvandlarstegen innefattar en mellan plus-, minus- och utgångsterminalerna ansluten spänningsstyv omvandlarkrets, av vilka en utföringsform visas i figur 2. s 504 522 Omvandlarkretsen innefattar en ventilkrets V, vilken i sin tur innefattar en första ventil V1 och en andra ventil V2. Ventilerna är sinsemellan seriekopplade och har en gemensam kopplingspunkt I. Var och en av ventilema V1 och V2 innefattar en släckbar halvledarventil T1, T2 respektive, i figuren markerad med en så kallad Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), och en till denna i antiparallellkoppling ansluten diodventil, i figuren markerad med en diod D1, D2 respektive.

Seriekopplingen mellan Ventilerna är så gjord att dioderna har samma ledriktning. Seriekopplingen av de två ventilerna V1 och V2 är ansluten mellan omvandlarstegets plusterminal TP och minusterminal TM. En reaktor SL med huvudsakligen induktiv impedans är med ett första uttag TL1 ansluten till kopplingspunkten I och med ett andra uttag TL2 till omvandlarstegets utgångsterminal. En kondensator Cl är ansluten mellan omvandlarstegets plus- och minusterminal och är så vald att omvandlar- kretsen under normal drift uppträder spänningsstyv. Parallellt med kondensatorn C1 är ansluten en högohrnig resistor R och mellan utgångs- och minusterminalen en filterkondensator C2.

Ett i styrutrustningen 6 anordnat styrdon CM alstrar styrsignaler, i figuren markerade med en styrvektor CVD*, innehållande information för att bringa transistorerna i Ventilerna V1 och V2 till ledande respektive icke- ledande tillstånd. Styrsignalerna påföres ventilkretsen V för styrning av Ventilerna V1 och V2 på något i och för sig känt, i figuren inte närmre visat sätt. Styrsignalerna alstras på ett sådant sätt att var och en av Ventilerna V1 och V2 styrs sinsemellan komplementärt med en vald frekvens fvs, det vill säga samtidigt som en signal alstras som bringar transistorn i ventilen V1 i ledande tillstånd alstras en annan signal som bringar transistorn i ventilen V2 i icke-ledande tillstånd. Plus- och minusterminalen kommer därmed att växelvis anslutas till kopplingspunkten I och då reaktorn SL förutsätts ha huvudsakligen induktiv impedans kommer uttagsterminalen likspänningsmässigt att väsentligen anta samma potential relativt minusterminalen som kopplingspunkten I.

I en föredragen utföringsform av uppfinningen alstras styrsignalerna så att transistorerna i ventilema V1 och V2, respektive, bringas att leda under sinsemellan lika långa intervall, det vill säga var och en av transistorerna leder under halva den periodtid som motsvaras av frekvensen fsv. Härmed uppnås att tidsmedelvärdet av spänningen mellan utgångsterminalen och 504 522 6 minusterminalen, det vill säga spänningen över kondensatorn Cl, blir lika med halva spänningen mellan plus- och minusterminalen.

Frekvensen fsv kan med fördel väljas vara av storleksordningen en à två tiopotenser högre än växelströmsnätens systemfrekvens. Kondensatorn C1 och reaktorn SL dimensioneras med fördel så att amplituden av övertoner i kondensatorspänning respektive reaktorström begränsas till 10 à 20 % av nämnda spännings respektive ströms nominella värden.

Det skall förstås att styrvektorn CVD* påföres samtliga i likspännings- omvandlaren 5 innefattade omvandlarsteg, vilka alltså, vid den föredragna utföringsformen, vart och ett mellan sina respektive utgångs- och minusterminaler uppvisar en spänning lika med halva spänningen mellan sina respektive plus- och minusterminaler.

Figur 3 visar den generella uppbyggnaden av en likspänningsomvandlare enligt uppfinningen. Den innefattar åtminstone två omvandlarsteg och i figur 3 är antalet omvandlarsteg lika med N. Det första omvandlarsteget 8:1 är med sin plusterminal TPrl anslutet till en likspänningsförande ledare 4' med spänningen U i förhållande till jordpotential. Det N:te omvandlarsteget 8:N är med sin minusterminal TM:N anslutet till jordpotential, markerad med ett jordtag 5d. För att ej tynga figuren har plus-, minus- och utgångsterminalerna markerats endast vid det första, det andra, det (N-1):a och det N:te omvandlarsteget men det skall förstås att samtliga omvandlarsteg är sinsemellan anslutna på sätt som ovan beskrivits. Vidare har i figuren vid vart och ett av omvandlarstegens utgångsterminaler markerats spänningen U:1, ,U:n, ..., U:(N-1), U:N mellan respektive utgångsterminal och jord. Från ledaren 4' flyter en likström I till det första omvandlarstegets plusterminal och i figuren har vidare markerats de strömmar som flyter till plus-terminaler i det första, det nzte, det (N-1):a och det N:te omvandlarsteget och som flyter till rninusterminaler i det första, det tredje, det (n+2):a, det (N-1):a och det N:te omvandlarsteget. En belastning 3f är ansluten mellan det N:te omvandlarstegets utgångsterminal TO:N och jordtaget 3d, vilket jordtag står i förbindelse med det N:te omvandlarstegets minusterminal TM:N via jordtaget 5d. Belastningen innefattar strömriktaren 3a, som över transformatorn 3b är ansluten till det trefasiga växelströmsnätet 3c. 7 504 522 För vart och ett av omvandlarstegen gäller att summan av strömmarna genom samtliga terminaler är noll. Speciellt då ventilerna V1 och V2 styrs så att spänningen mellan omvandlarstegens utgångs- och minusterminal är lika med halva spänningen mellan plus- och minusterminalen gäller att, såsom markerats i anslutning till det första och det Nzte omvandlarsteget, de strömmar som flyter genom plus- och minusterminalen är till sitt belopp lika. Den ström som flyter genom utgångsterminalen blir därmed två gånger så stor som strömmen genom plusterminalen.

Spänningen U:n vid utgångsterminalen till det nzte omvandlarsteget blir U:n = U [N-(n-1)]/[N+1].

Spänningen över belastningen 3f blir således U /[N+1] och till belastningen flyter strömmen I * [N+1].

I figur 3 visas ett effektflöde från ledare 4' till belastningen 3f, det vill säga vid en tillämpning såsom illustreras i figur 1, avtappning av effekt från likspänningsförbindelsen 4 till den tredje strömriktarstationen. Den i anslutning till figur 2 beskrivna utförandeformen av omvandlarkretsen tillåter också ett effektflöde i motsatt riktning, det vill säga inmatning av effekt till likspänningsförbindelsen 4 från den tredje strömriktarstationen.

För det fall endast avtappning av effekt från likspänningsförbindelsen 4 kommer i fråga kan den släckbara halvledarventilen T2 i ventilen V2 elimineras så att ventilen V2 kommer att utgöras av en diodventil.

Omvänt, för det fall endast inmatning av effekt till likspännings- förbindelsen 4 kommer i fråga kan den släckbara halvledarventilen T1 i ventilen V1 elimineras så att ventilen Vl kommer att utgöras av en diodventil.

I en ytterligare vidareutveckling av uppfinningen anordnas styrdonet 6 att till respektive omvandlarstegs första släckbara halvledarventiler alstra sinsemellan komplementära styrsignaler så att av det första och det andra omvandlarsteget den första släckbara halvledarventilen i det ena omvandlarsteget är i ledande tillstånd då den första släckbara halvledarventilen i det andra omvandlarsteget är i icke-ledande tillstånd och på analogt sätt sinsemellan komplementära styrsignaler för det andra och det tredje omvandlarstegets första släckbara halvledarventiler etc. Detta innebär, som framgår av en jämförelse mellan figurerna 2 och 3, att mellan 504 522 8 likströmsledaren 4' och jord alltid minst hälften av halvledarventilerna befinner sig i icke-ledande tillstånd. Detta medför att risken för en genomtändning i likspänningsomvandlaren reduceras.

Genom uppfinningen erhålles vidare en modulisering av likspänningsomvandlaren i det att den kan anordnas innefatta ett valbart antal sinsemellan lika omvandlarsteg. Vart och ett av omvandlarstegen kan dimensioneras för en valbar bråkdel av kraftöverföringens spänning och därmed utformas med en för likspänningsomvandlaren i sin helhet optimal driftspänning. Detta möjliggör bland annat att vart och ett av omvandlarstegen kan inneslutas i var sin kapsling lämplig för utomhusuppställning. Endast kapslingen för det omvandlarsteg som är anslutet till ledaren 4' (kraftöverföringens likströmsförbindelse) behöver därvid isoleras mot jord för full spännning medan övriga kapslingar kan isoleras mot jord för succesivt lägre spänningar.

Filterenheten 7 kan på något i och för sig känt sätt anordnas innefatta brytelement och skyddsutrustning för in- och urkoppling av den tredje strömriktarstationen.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsexemplen utan ett flertal modifikationer är tänkbara inom uppfinningstankens ram. Således kan halvledarventilerna anordnas innefatta andra slag av släckbara effekthalvledarkomponenter än den visade transistorn.

Belastningen 3f kan alltefter omständigheterna utgöras av exempelvis en spänningsstyv omriktare baserad på pulsbreddmoduleringsteknik, ansluten endera direkt eller över en transformator till växelströmsnätet 3c, eller av en från växelströmsnätet 3c nätkommuterad strömriktare.

Strömriktaren 3a kan exempelvis styras i strömreglering medan styrorganet 6 kan anordnas att för åtminstone något av omvandlarstegen alstra styrsignaler som i beroende av en avkänd belastningsändring åstadkommer en övergående ändring av spänningenUL över belastningen för kompensering av belastningsändringen.

För det fall kraftöverföringen är två-polig kan filterenheten 7 anordnas innefatta en polomkopplare så att likspänningsomvandlaren kan anslutas till endera av kraftöverföringens poler.

Claims (9)

9 504 522 PATENTKRAV

1. Kraftöverföring för högspänd likström, innefattande åtminstone en likriktarstation (1) och en växelriktarstation (2), sinsemellan förbundna med en likströmsförbindelse (4), samt en tredje strömriktarstation (3) ansluten mellan likströmsförbindelsen och ett växelströmsnät (3c), vilken strömriktarstation innefattar en strömriktare (3a) ansluten till likströmsförbindelsen via en likspänningsomvandlare (5), k ä n n e t e c k - n a d av att likspänningsomvandlaren innefattar åtminstone ett första och ett andra omvandlarsteg (8:1, 8:2), vartdera med en plusterminal (TP:1, TPz2), en minusterminal (TMzl, TM:2) och en utgångsterminal TO:1, TO:2) och innefattande en spänningsstyv omvandlarkrets (V, C1, SL) med åtminstone en släckbar halvledarventil (T1, T2), det andra omvandlarstegets plusterminal ansluten till det första omvandlarstegets utgångsterminal och det andra omvandlarstegets utgångsterminal ansluten till det första omvandlarstegets minusterminal.

2. Kraftöverföring enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att likspänningsomvandlaren ytterligare innefattar åtminstone ett tredje omvandlarsteg (8:3) av samma slag som det första, det tredje omvandlarstegets plusterminal (TP:3) ansluten till det andra omvandlarstegets utgångsterminal och det tredje omvandlarstegets utgångsterminal (TOzß) ansluten till det andra omvandlarstegets minusterminal.

3. Kraftöverföring enligt något av patentkraven 1-2, k ä n n e te c k n a d av att vart och ett av omvandlarstegen innefattar en första släckbar halvledarventil (Tl) med en till demia i antiparallellkoppling ansluten första diodventil (D1), vilken halvledarventil i en gemensam kopplingspunkt (I) är seriekopplad med en andra diodventil (D2), och att den så bildade seriekopplingen är ansluten mellan nämnda plusterminal och minusterminal, att en kondensator (Cl) är ansluten mellan nämnda plusterminal och nämnda minusterminal och att en reaktor (SL) med väsentligen induktiv impedans är ansluten mellan den gemensamma kopplingspunkten och nämnda utgångsterminal. 504 522 m

4. Kraftöverföring enligt något av patentkraven 1-3, varvid likspänningsomvandlaren innefattar ett styrdon (CM) för styrning av de i likspänningsomvandlaren ingående släckbara halvledarventilerna, k ä n n e t e c k n a d av att styrdonet alstrar sinsemellan komplementära styrsignaler (CVD*) till nämnda första släckbara halvledarventiler så att av det första och det andra omvandlarsteget den första släckbara halvledarventilen i det ena omvandlarsteget är i ledande tillstànd då den första släckbara halvledarventilen i det andra omvandlarsteget är i icke- ledande tillstånd.

5. Kraftöverföring enligt något av patentkraven 2-4, k ä n n e t e c k n a d av att styrdonet alstrar sinsemellan komplementära styrsignaler till nämnda första släckbara halvledarventiler så att av det andra och det tredje omvandlarsteget den första släckbara halvledarventilen i det ena omvandlarsteget är i ledande tillstånd då den första släckbara halvledarventilen i det andra omvandlarsteget är i icke-ledande tillstånd.

6. Kraftöverföring enligt något av patentkraven 3-5, k ä n n e t e c k n a d av att i vart och ett av omvandlarstegen en andra släckbar halvledarventil (T2) är ansluten i antiparallellkoppling till den andra diodventilen och att styrdonet alstrar sinsemellan komplementära styrsignaler till nämnda första och andra halvledarventil så att av den första och den andra släckbara halvledarventilen den ena är i ledande tillstånd då den andra är i icke- ledande tillstånd.

7. Kraftöverföring enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att styrdonet alstrar sinsemellan komplementära styrsignaler så att för en halvledarventil längden av dess ledande tillstånd är lika med längden av dess icke-ledande tillstånd.

8. Kraftöverföring enligt något av föregående patentkrav, varvid likströmsförbindelsen innefattar en pol (4) och en neutralpol (Id, 2d), k ä n n e t e c k n a d av att plusterminalen av ett omvandlarsteg är ansluten till nämnda pol och att minusterminalen av ett annat omvandlarsteg är ansluten till neutralpolen och att strömriktaren i den tredje strömriktarstationen är ansluten mellan en utgångsterminal och en minusterminal på sistnämnda omvandlarsteg. 11 504 522

9. Kraftöverföring enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstøne något av omvandlarstegen är inneslutet i en kapsling för utomhusuppställning.