SE519957C2 - Device for converting AC voltage to DC voltage - Google Patents
Device for converting AC voltage to DC voltageInfo
- Publication number
- SE519957C2 SE519957C2 SE0004028A SE0004028A SE519957C2 SE 519957 C2 SE519957 C2 SE 519957C2 SE 0004028 A SE0004028 A SE 0004028A SE 0004028 A SE0004028 A SE 0004028A SE 519957 C2 SE519957 C2 SE 519957C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- voltage
- center point
- units
- series connection
- midpoint
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/4837—Flying capacitor converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/487—Neutral point clamped inverters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Rectifiers (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
35 519 957 (Static Var Compensator), där likspänningssidan består av en eller flera fritt hängande kondensatorer. 35 519 957 (Static Var Compensator), where the DC side consists of one or more freely hanging capacitors.
Uppfinningen är inte begränsad till några spännings- eller effekt- nivåer, men är speciellt lämpad för spänningar på likspännings- sidan mellan 10 och 500 kV.The invention is not limited to any voltage or power levels, but is particularly suitable for voltages on the DC side between 10 and 500 kV.
En fördel med att använda sådana så kallade flernivà-omriktare, d v s omriktare hos vilka åtminstone tre olika spänningsnivàer kan ”läggas ut” på nämnda fasutgång, i förhållande till så kallade tvånivâbryggor, är att halvledarelementen hos nämnda enheter kan omkopplas med en betydligt lägre frekvens för uppnående av en växelspänning på växelspänningsfasledningen av en bestämd frekvens och kvalitet, så att förlusterna hos omriktaranordningen kan reduceras avsevärt. Närmare bestämt kan switchfrekvensen hos halvledarelementen i en trenivàomriktare reduceras till ca 1/2 jämfört med en tvånivåomriktare med samma övertonsgene- rering. En fördel med att använda så kallade flygande konden- satorer för att uppnå ytterligare spänningsnivàer hos fasutgången utöver spänningsnivån hos likspänningssidans båda poler i för- hållande till en användning av så kallade klampningsdioder är framförallt att halvledarelementen i det senare fallet måste styras på sådant sätt att det sker en ojämn fördelning av switchförluster mellan dem, så att i praktiken alla halvledarelement måste di- mensioneras för att klara den maximala belastning som ett en- skilt halvledarelement kan utsättas för, då i annat fall speciella hänsyn till utformningen av varje enskilt halvledarelement måste tas vid styrningen av dem. Detta gör att totalkostnaden för halv- ledarelementen blir mycket hög, då vissa av dem kommer att i de flesta driftsituationer vara kraftigt överdimensionerade. Genom att istället använda sig av flygande kondensatorer, såsom i den inledningsvis definierade anordningen, kan en flernivåomriktare med möjlighet till en jämnare belastning av halvledarelementen vad gäller switchförluster uppnås utan användande av dyra så kallade klampningsdioder eller extra halvledarelement. 10 15 20 25 30 35 519 957 För att belysa uppfinningen och de problem denna söker lösa kommer härefter fallet av en inledningsvis definierad anordning inbyggd i en anläggning för överföring av elektrisk effekt i form av högspänd likström (HVDC) att diskuteras. Det påpekas emel- lertid att uppfinningen inte är begränsad till just den applikatio- nen av en sådan anordning, utan de problem och lösningar som nedan beskrivs är även för handen vid andra typer av applikatio- ner av en sådan anordning.An advantage of using such so-called multi-level inverters, ie inverters in which at least three different voltage levels can be "laid out" on said phase output, in relation to so-called two-level bridges, is that the semiconductor elements of said units can be switched with a much lower frequency for achieving an alternating voltage on the alternating voltage phase line of a certain frequency and quality, so that the losses of the converter device can be considerably reduced. More specifically, the switching frequency of the semiconductor elements in a three-level converter can be reduced to about 1/2 compared with a two-level converter with the same harmonic generation. An advantage of using so-called flying capacitors to achieve additional voltage levels at the phase output in addition to the voltage level of the two poles of the direct voltage side in relation to a use of so-called clamping diodes is above all that the semiconductor elements must be controlled in such a way that there is an uneven distribution of switch losses between them, so that in practice all semiconductor elements must be dimensioned to withstand the maximum load to which an individual semiconductor element can be subjected, otherwise special consideration must be given to the design of each individual semiconductor element. the control of them. This means that the total cost of the semiconductor elements will be very high, as some of them will in most operating situations be greatly oversized. By instead using flying capacitors, as in the initially defined device, a multilevel converter with the possibility of a more even load of the semiconductor elements in terms of switch losses can be achieved without the use of expensive so-called clamping diodes or additional semiconductor elements. 5 15 20 25 30 35 519 957 In order to illustrate the invention and the problems it seeks to solve, the case of an initially defined device built into a system for transmitting electrical power in the form of high voltage direct current (HVDC) will be discussed below. It is pointed out, however, that the invention is not limited to that particular application of such a device, but the problems and solutions described below are also obvious in other types of applications of such a device.
En anordning av inledningsvis definierat slag inbyggd i en an- läggning för överföring av elektrisk effekt är tidigare känd genom exempelvis US 5 737 201, US 5 706 188 och US 5 940 285. Hos en anordning av detta slag kan av olika anledningar vid felfall en betydligt högre spänning i förhållande till nämnda nollnivå på nämnda båda poler hos strömriktarens likspänningssida kortva- rigt uppträda. Detta kan exempelvis ske vid en parallellkoppling av flera nämnda seriekopplingar mellan nämnda båda poler för anslutande av ett flerfasigt växelspänningsnät på växelspän- ningssidan, såsom ett trefasnät, med således ett nämnt fasuttag för varje fas. Om i ett sådant fall ett enfasigt jordfel uppstår på den ledning som ansluter till ett fasuttag, kommer en överspän- ning på de båda andra faserna att ladda upp likspänningspolerna till en övre tillåten spänningsnivå hos dessa, vilken definieras av ett anordnande av någon typ av skydd på likspänningssidan, så- som en avledare med definierad skyddsnivå. Strömriktaren kom- mer att blockera, vilket innebär att den flygande kondensatorns spänning fryses, men däremot kommer potentialen på fasut- gången att variera beroende på vilken av nämnda enheter, d v s strömventil, som för tillfället leder. Skulle vid ögonblicket ifråga de båda enheter som ansluter en pol till fasuttaget leda och där- med nämnda skyddsnivåspänning ligga på fasuttaget, då blir spänningen över den enhet som ligger mellan nämnda andra mittpunkt och den pol som inte är ansluten till fasuttaget två gånger nämnda skyddsnivå minus den spänning som ligger över den flygande kondensatorn. Det blir således en mycket hög spänning som halvledarelementen i de enheter som ligger ytterst i seriekopplingen måste kunna kortvarigt tåla vid felfall. Det krävs 10 15 20 25 30 35 i519 957 att dessa halvledarelement dimensioneras i motsvarande grad, och därvid måste även hänsyn tagas till att det inom en enhet, som normalt består av ett antal seriekopplade halvledarelement och likaså ett antal seriekopplade dioder, kan förekomma en snedfördelning av spänningen över de olika komponenterna p g a skillnader mellan dessa, såsom att de tänder eller släcker olika snabbt. Därtill kommer att det finns en viss osäkerhet vad gäller spänningen över den flygande kondensatorn, och denna skulle vid något felfall kunna vara lägre än vad den normalt är vid nor- mal drift. Detta sammantaget innebär att spänningen över de s k yttre ventilerna hos strömriktaren kan bli så hög att dessa venti- ler måste kraftigt överdimensioneras, vilket vanligtvis sker genom att öka antalet seriekopplade halvledarelementet hos dessa.A device of an initially defined type built into a plant for the transmission of electric power is previously known from, for example, US 5,737,201, US 5,706,188 and US 5,940,285. In a device of this type, significantly higher voltage in relation to said zero level at said two poles of the converter DC voltage side briefly appear. This can take place, for example, in a parallel connection of several said series connections between said two poles for connecting a multiphase alternating voltage network on the alternating voltage side, such as a three-phase network, with thus a said phase socket for each phase. If in such a case a single-phase earth fault occurs on the line connecting to a phase socket, an overvoltage on the other two phases will charge the DC poles to an upper permissible voltage level thereof, which is defined by an arrangement of some type of protection on the DC voltage side, such as a arrester with a defined level of protection. The converter will block, which means that the voltage of the flying capacitor is frozen, but on the other hand, the potential at the phase output will vary depending on which of the mentioned units, i.e. current valve, is currently conducting. Should at the moment in question the two units connecting a pole to the phase socket lead and thus said protection level voltage be on the phase socket, then the voltage across the unit lying between said second center point and the pole not connected to the phase socket twice said protection level minus the voltage across the flying capacitor. There is thus a very high voltage which the semiconductor elements in the units which are at the far end of the series connection must be able to withstand for a short time in the event of a fault. It is required that these semiconductor elements be dimensioned to a corresponding degree, and it must also be taken into account that within a unit, which normally consists of a number of series-connected semiconductor elements and also a number of series-connected diodes, there may be an oblique distribution. of the voltage across the different components due to differences between them, such as that they turn on or off at different speeds. In addition, there is some uncertainty regarding the voltage across the flying capacitor, and this could, in the event of a fault, be lower than it normally is during normal operation. All in all, this means that the voltage across the so-called external valves of the inverter can become so high that these valves must be greatly oversized, which is usually done by increasing the number of semiconductor elements connected to them in series.
Detta kan exempelvis innebära att detta antal måste ökas med ca 20% utöver vad som krävs vid normal drift av strömriktaren.This may, for example, mean that this number must be increased by about 20% in addition to what is required during normal operation of the converter.
Detta betyder naturligtvis att kostnaderna ökas både vad gäller den rena komponentkostnaden samt kostnaden för därmed för- knippad styrutrustning i förhållande till om ett mindre antal halv- ledarelement hade behövts.This means, of course, that the costs increase both in terms of the pure component cost and the cost of associated control equipment in relation to whether a smaller number of semiconductor elements would have been needed.
SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- ordning av inledningsvis definierat slag, vilken gör det möjligt att långtgående komma tillrätta med ovan diskuterade problem med uppträdande av höga spänningar över nämnda enheter hos strömriktaren vid felfall.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a device of initially defined kind, which makes it possible to deal extensively with the problems discussed above with the occurrence of high voltages across said units of the converter in the event of a fault.
Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom tillhandahållande av en anordning av inledningsvis definierat slag, hos vilken var- dera andra mittpunkt är ansluten till jord via var sitt likriktande organ med det likriktande organet anslutet till den andra mitt- punkten närmast den positiva polen med ledriktningen från jord till den andra mittpunkten och med det likriktande organet an- slutet till den andra mittpunkten närmast den negativa polen med ledriktningen från den andra mittpunkten till jord. Härigenom kommer vid uppträdande av ett ovan diskuterat fel i sämsta tänk- 10 15 20 25 30 35 519 957 bara läge, d v s med samtliga enheter på en sida av fasuttaget ledande, så att spänningen hos likspänningssidans ena pol är lagd på spänningen hos fasuttaget, spänningen över den mot- satta yttre enheten alltid att erhålla ett givet värde, som i stort sett motsvarar potentialskillnaden mellan den därtill anslutna polen och noll, då anslutningen av jord via det likriktande orga- net, såsom en andra diod, till den andra mittpunkten kommer att medföra att denna andra mittpunkt i ett sådant fall uppvisar en potential som ligger nära noll. Således kommer spänningen över denna yttre enhet då att bli helt oberoende av spänningen över den flygande kondensatorn och betydligt lägre än annars skulle vara fallet, så att antalet seriekopplade halvledarelement hos den yttre enheten kan reduceras och därigenom kostnader sparas. I praktiken innebär detta att om exempelvis vid uppträdande av felet den negativa polen är ansluten till fasuttaget och i normala fall den negativa skyddsspänningsnivån minus kondensatorspän- ningen skulle anligga på den andra mittpunkten närmast den po- sitiva polen, vilket skulle innebära en förhållandevis hög negativ potential hos den andra mittpunkten, nu istället en ström går från jord via den andra dioden till denna andra mittpunkt och sedan vidare till den flygande kondensatorn och dioden hos den mot- satta delen till fasuttaget under uppladdande av den flygande kondensatorn och hållande av potentialen hos den andra mitt- punkten nära jord.This object is achieved according to the invention by providing a device of initially defined kind, in which each other center point is connected to earth via each rectifying means with the rectifying means connected to the other center point closest to the positive pole with the direction of direction from earth. to the second center point and with the rectifying member connected to the second center point closest to the negative pole with the direction of conduction from the second center point to ground. As a result, in the event of a fault discussed above in the worst possible position, ie with all units on one side of the phase socket conducting, so that the voltage of one pole of the direct voltage side is applied to the voltage of the phase socket, the voltage over the opposite external unit always to obtain a given value, which largely corresponds to the potential difference between the connected pole and zero, as the connection of earth via the rectifying means, such as a second diode, to the second center point will cause this second midpoint in such a case to have a potential close to zero. Thus, the voltage across this external unit will then be completely independent of the voltage across the flying capacitor and much lower than would otherwise be the case, so that the number of series-connected semiconductor elements of the external unit can be reduced and thereby costs saved. In practice, this means that if, for example, when the fault occurs, the negative pole is connected to the phase socket and in normal cases the negative protection voltage level minus the capacitor voltage would be located at the other center closest to the positive pole, which would mean a relatively high negative potential. at the second center point, now instead a current goes from earth via the second diode to this second center point and then on to the flying capacitor and the diode of the opposite part to the phase socket while charging the flying capacitor and holding the potential of the second midpoint near ground.
Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är ett spän- ningsbegränsningsorgan anordnat att leda ström om spänningen över det överskrider en bestämd spänningsnivå seriekopplat mellan vart och ett av nämnda likriktande organ och jord. Genom att anordna en sådan s k avledare seriekopplad med respektive likriktande organ undviks att detta kommer att leda ström vid normal drift av anordningen när en s k ”nollspänning” skall läg- gas ut på fasuttaget och denna inte är exakt noll p g a att spän- ningen mellan ifrågavarande pol och nollspänningsnivån minus spänningen över den flygande kondensatorn avviker från noll.According to a preferred embodiment of the invention, a voltage limiting means is arranged to conduct current if the voltage above it exceeds a certain voltage level connected in series between each of said rectifying means and ground. By arranging such a so-called arrester connected in series with the respective rectifying means, it is avoided that this will conduct current during normal operation of the device when a so-called "zero voltage" is to be applied to the phase socket and this is not exactly zero due to the voltage between pole and the zero voltage level minus the voltage across the flying capacitor deviates from zero.
Genom att anordna ett sådant spänningsbegränsningsorgan kan nämnda likriktande organ göras väldigt små och ingen kylning 10 15 20 25 30 35 ~519 957 därav krävs, då de vid normal drift av strömriktaren inte kommer att leda någon ström, utan endast under ca en halv strömperiod vid spänningssättnlng av strömriktaren eller vid uppträdande av fel.By arranging such a voltage limiting means, said rectifying means can be made very small and no cooling thereof is required, as in normal operation of the converter they will not conduct any current, but only for about half a current period at voltage setting of the inverter or in the event of a fault.
Enligt andra föredragna utföringsformer av uppfinningen är nämnda spänningsnivå hos spänningsbegränsningsorganet mel- lan 5% och 20% av spänningen över den flygande kondensatorn vid normal drift av anordningen, och mera speciellt ca 10%. En sådan spänningsnivå på spänningsbegränsningsorganet gör att det med tillförlitlighet tillses att de andra dioderna inte kommer att leda någon ström vid normal drift, men ändock blir reducer- ingen av spänningen över de yttre enheterna (ventilerna) avse- värd i felfallet.According to other preferred embodiments of the invention, said voltage level of the voltage limiting means is between 5% and 20% of the voltage across the flying capacitor during normal operation of the device, and more especially about 10%. Such a voltage level on the voltage limiting means means that it is reliably ensured that the other diodes will not conduct any current during normal operation, but nevertheless the reduction of the voltage across the external units (valves) will be considerable in the event of a fault.
Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda halvledarelement lGBTer, vilket är fördelaktigt då dessa är lämpliga att seriekoppla och med hög tillförlitlighet kan styras att tändas och släckas simultant, så att de i en enhet ingående sådana seriekopplade halvledarelement kan fungera som om de vore ett enda element.According to another preferred embodiment of the invention, said semiconductor elements are IGBTs, which is advantageous when they are suitable for series connection and can be controlled with high reliability to be switched on and off simultaneously, so that the semiconductor elements included in a unit can function as if they were a even element.
Enligt andra föredragna utföringsformer av uppfinningen är nämnda likspänningssida hos anordningen bildad av ett likspän- ningsnät för överföring av högspänd likström (HVDC) och växel- spänningsfasledningen tillhör ett växelspänningsfasnät, men det är även fördelaktigt att anordningen är utformad att ingå i en SVC (Static Var Compensator) med likspänningssidan bildad av fritt hängande kondensatorer och växelspänningsfasledningen tillhörande ett växelspänningsfasnät.According to other preferred embodiments of the invention, said direct voltage side of the device is formed by a direct voltage network for transmission of high voltage direct current (HVDC) and the alternating voltage phase line belongs to an alternating voltage phase network, but it is also advantageous that the device is designed to be part of an SVC (Static Var Compensator) with the DC voltage side formed by free-hanging capacitors and the AC phase line belonging to an AC phase network.
Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav. 10 15 20 25 30 35 519 957 KORT BESKRIVNING AV RITNINGEN Här nedan beskrivs en såsom exempel anförd föredragen utfö- ringsform av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritning, på vilken: Fig 1 är ett förenklat kopplingsschema illustrerande en anordning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen.Additional advantages and advantageous features of the invention appear from the following description and other dependent claims. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING Hereinafter, an exemplary preferred embodiment of the invention is described with reference to the accompanying drawing, in which: Fig. 1 is a simplified circuit diagram illustrating a device according to a preferred embodiment of the invention.
DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN I fig 1 är endast den del av den s k omriktaranordningen som är ansluten till en fas hos en växelspänningsfasledning visad, varvid antalet faser normalt är tre, men det är även möjligt att detta ut- gör hela omriktaranordningen, då denna är ansluten till ett enfas- växelspänningsnät. Omriktaranordningen är en s k VSC- strömriktare, vilken uppvisar fyra enheter 1-4, vanligtvis kallade transistorventiler eller alternativt tyristorventiler, seriekopplade mellan de båda polerna 5, 6 hos en likspänningssida hos anord- ningen. Två seriekopplade kondensatorer 7, 8 är anordnade mellan nämnda båda poler, och en punkt 9 mellan dessa ansluts vanligtvis till jord, så att på detta sätt potentialerna + U/2 respek- tive - U/2 tillhandahålls hos respektive pol, varvid U är spän- ningen mellan de båda polerna 5, 6. Här är 5 den positiva polen, medan 6 är den negativa polen.DETAILED DESCRIPTION OF A PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION In Fig. 1 only the part of the so-called converter device which is connected to a phase of an alternating voltage phase line is shown, the number of phases normally being three, but it is also possible that this constitutes the entire converter device. when this is connected to a single-phase AC mains. The converter device is a so-called VSC converter, which has four units 1-4, usually called transistor valves or alternatively thyristor valves, connected in series between the two poles 5, 6 of a direct voltage side of the device. Two series-connected capacitors 7, 8 are arranged between said two poles, and a point 9 between them is usually connected to earth, so that in this way the potentials + U / 2 and U / 2, respectively, are provided at each pole, U being voltage - the connection between the two poles 5, 6. Here 5 is the positive pole, while 6 is the negative pole.
Enheterna 1-4 är var och en uppbyggd av ett släckbart halvle- darelement 10-13, såsom en lGBT eller en GTO, och en antipa- rallellt därmed kopplad likriktande diod (14-17), en s k frihjuls- diod. Fastän endast en IGBT eller GTO per enhet visas kan denna stå för en mängd, seriekopplade, simultant styrda lGBTer eller GTOer, vilket ävenledes är fallet, då det krävs ett förhållan- devis stort antal sådana halvledarelement för att hålla den spän- ning som varje enhet måste hålla i blockerat tillstånd. 10 15 20 25 30 35 i519 957 En första mittpunkt 18 hos seriekopplingen mellan de båda en- heterna 2 och 3, till vilken fasutgången 19 är ansluten, är anslu- ten till en växelspänningsfasledning 20 via en induktor 21. På detta sätt uppdeias nämnda seriekoppling i likadana delar med två enheter 1, 2 respektive 3, 4 hos varje sådan del.Units 1-4 are each made up of a quenchable semiconductor element 10-13, such as an IGBT or a GTO, and an anti-parallel diode (14-17), a so-called freewheel diode. Although only one IGBT or GTO per unit is shown, this can account for a plurality of series-connected, simultaneously controlled IGBTs or GTOs, which is also the case, as a relatively large number of such semiconductor elements is required to maintain the voltage of each unit. must be kept in a blocked state. A first center point 18 of the series connection between the two units 2 and 3, to which the phase output 19 is connected, is connected to an alternating voltage phase line 20 via an inductor 21. In this way said series connection is divided. in equal parts with two units 1, 2 and 3, 4, respectively, of each such part.
Det visas vidare hur ett avstämt filter 23 bestående av konden- sator, reaktor och motstånd är anslutet till växelspänningsfasled- ningen för att utsläcka övertoner som kan ha bildats på växel- spänningsfasledningen 20 som en konsekvens av ventilernas om- kopplingar. Likaså är en transformator 25 anordnad för att möj- liggöra en upp- eller nedtransformering av nivån hos spänningen ut från strömriktaren på dennas växelspänningssida.It is further shown how a tuned filter 23 consisting of capacitor, reactor and resistor is connected to the AC phase line to quench harmonics that may have formed on the AC phase line 20 as a consequence of the valves switching. Likewise, a transformer 25 is arranged to enable an up- or down-transformation of the level of the voltage out of the converter on its alternating voltage side.
Det illustreras vidare hur en brytare 26 är anordnad att möjlig- göra till- och frånkoppling av växelspänningsnätet på växelspän- ningssidan nedströms om strömriktaren till respektive från ström- riktaren.It is further illustrated how a switch 26 is arranged to enable connection and disconnection of the alternating voltage network on the alternating voltage side downstream of the converter to and from the converter, respectively.
En andra mittpunkt 27 mellan två nämnda enheter hos den ena delen hos seriekopplingen är via en flygande kondensator 28 an- sluten till en med avseende på fasutgången motsvarande andra mittpunkt 29 hos seriekopplingens andra del.A second center point 27 between two said units of one part of the series connection is connected via a flying capacitor 28 to a second center point 29 of the second part of the series connection corresponding to the phase output.
Anordningen uppvisar vidare en inrättning 30 anordnad att styra de olika halvledarelementen hos enheterna 1-4 och därigenom tillse att nämnda fasutgàng ansluts och erhåller samma potential som polen 5, polen 6 eller någon av nämnda andra mittpunkter 27 respektive 29, vilket för mittpunkten 27 innebär potentialen hos polen 6 adderad med spänningen över kondensatorn 28 och för mittpunkten 29 spänningen hos polen 5 subtraherad med spänningen över kondensatorn 28. Denna inrättning 30 och dess anordnande är mycket förenklat framställt här, och i praktiken torde en separat sådan inrättning vara anordnad på hög potential vid varje enskild enhet och dessa erhålla styrsignaler från en på marknivå anordnad styrinrättning. 10 15 20 25 30 35 519 957 Så långt är uppbyggnaden hos anordningen tidigare känd, men nu kommer det nya och karaktäristiska för strömriktaren enligt föreliggande uppfinning att beskrivas. Till varje nämnd andra mittpunkt 27, 29 är en seriekoppling av ett likriktande organ i form av en andra diod 31, 32 och ett spänningsbegränsningsor- gan i form av en avledare 33, 34 ansluten med sin ena ände, medan seriekopplingens anda ände är ansluten till jord 35, 36.The device further comprises a device 30 arranged to control the various semiconductor elements of units 1-4 and thereby ensure that said phase output is connected and obtains the same potential as pole 5, pole 6 or any of said other midpoints 27 and 29, respectively, which for midpoint 27 means the potential of the pole 6 added with the voltage across the capacitor 28 and for the midpoint 29 the voltage of the pole 5 subtracted with the voltage across the capacitor 28. This device 30 and its arrangement are very simplified here, and in practice a separate such device should be arranged at high potential at each individual unit and these receive control signals from a ground-level control device. 5 15 20 25 30 35 519 957 So far the construction of the device is previously known, but now the new and characteristic of the converter according to the present invention will be described. To each said second center point 27, 29 a series connection of a rectifying means in the form of a second diode 31, 32 and a voltage limiting means in the form of a arrester 33, 34 are connected with one end thereof, while the other end of the series connection is connected to soil 35, 36.
Den andra dioden hos den andra mittpunkten 27 närmast den po- sitiva polen 5 har sin ledriktning från jord till den andra mitt- punkten 27, medan den andra dioden 32 ansluten till den andra mittpunkten 29 närmast den negativa polen 6 har sin ledriktning från den andra mittpunkten 29 till jord. Spänningsnivån, vid vil- ken de båda avledarna 33, 34 börjar leda är företrädesvis ca 10% av den spänning som normalt ligger mellan jordpunkten 9 och respektive pol 5, 6 vid normal drift av anordningen, d v s ex- empelvis 15 kV, därest polspänningen är 150 kV. Vad dessa uppfinningsenliga särdrag betyder för anordningens funktioner kommer att förklaras längre ned.The second diode of the second center point 27 closest to the positive pole 5 has its conduction direction from ground to the second center point 27, while the second diode 32 connected to the second center point 29 closest to the negative pole 6 has its conduction direction from the second midpoint 29 to ground. The voltage level at which the two conductors 33, 34 start to conduct is preferably about 10% of the voltage which normally lies between the earth point 9 and the respective pole 5, 6 during normal operation of the device, ie for example 15 kV, where the pole voltage is 150 kV. What these inventive features mean for the functions of the device will be explained below.
Vid normal drift av strömriktaren kan + U/2 uppnås på fasut- gången genom att göra de båda enheterna 1, 2 ledande genom att tända halvledarelementen 10 och 11, medan - U/2 kan an- slutas till fasutgången genom att inrättningen 30 gör de båda en- heterna 3, 4 ledande genom att tända halvledarelementen 12, 13.During normal operation of the converter, + U / 2 can be achieved at the phase output by making the two units 1, 2 conductive by turning on the semiconductor elements 10 and 11, while - U / 2 can be connected to the phase output by making the device 30 both units 3, 4 conductive by lighting the semiconductor elements 12, 13.
Däremot kan en väsentligen noll varande spänning på fasut- gången uppnås på två olika sätt, nämligen antingen igenom att ansluta den andra mittpunkten 27 till fasutgången, vilket görs ge- nom att inrättningen 30 tillser att enheterna 2 och 4 är ledande, eller genom att ansluta den andra mittpunkten 29 till fasutgången genom att styrinrättningen tillser att enheterna 1 och 3 är le- dande. Skulle vid sådan normal drift spänningen över den fly- gande kondensatorn 28 inte vara exakt U/2, då skulle dioderna 31 eller 32 kunna bringas att leda, vilket inte är önskvärt. Skulle nämligen exempelvis spänningen på den negativa polen 15 vara - 150 kV, men spänningen över den flygande kondensatorn vara 140 kV, då skulle vid ett bringande av enheterna 2 och 4 i le- dande tillstånd för att uppnå en nollspänning på fasutgången 19 10 15 20 25 30 35 519 957 10 en spänning av - 10 kV uppnås vid den andra mittpunkten 27, vilket skulle innebära att i frånvaro av avledaren 33 dioden 31 skulle bli framspänd med en spänning av - 10 kV och leda ström och ladda upp den flygande kondensatorn 28. Genom att nu av- ledaren 33 med en skyddsnivå av 15 kV finns anordnad kommer inte någon ström att ledas. Motsvarande funktion har avledaren 34 vad avser dioden 32.On the other hand, a substantially zero voltage at the phase output can be achieved in two different ways, namely either by connecting the second center point 27 to the phase output, which is done by the device 30 ensuring that units 2 and 4 are conductive, or by connecting the second center point 29 to the phase output by the control device ensuring that units 1 and 3 are conductive. Should the voltage across the flying capacitor 28 not be exactly U / 2 during such normal operation, then the diodes 31 or 32 could be caused to conduct, which is not desirable. Namely, if, for example, the voltage at the negative pole 15 were - 150 kV, but the voltage across the flying capacitor was 140 kV, then when bringing the units 2 and 4 into a conducting state to achieve a zero voltage at the phase output 19 10 15 20 A voltage of - 10 kV is reached at the second center point 27, which would mean that in the absence of the arrester 33 the diode 31 would be biased with a voltage of - 10 kV and conduct current and charge the flying capacitor 28 Because now the arrester 33 with a protection level of 15 kV is provided, no current will be conducted. The diverter 34 has a corresponding function with respect to the diode 32.
I exemplifierande syfte antar vi att spänningen hos polledaren 5 vid normal drift är 150 kV och hos polledaren 6 - 150 kV.For exemplary purposes, we assume that the voltage of the pole conductor 5 during normal operation is 150 kV and of the pole conductor 6 - 150 kV.
Skyddsspänningsnivån hos dessa polledare är + 270 kV respek- tive - 270 kV. Detta innebär i praktiken att följande händer om ett inledningsvis definierat jordfel skulle uppträda, d v s om i fallet av flera faser hos strömriktaren ett jordfel uppstår på växelspän- ningsfasledningen 20. I ett sådant fall kommer överspänningen på de andra faserna att ladda upp de båda polerna 5, 6 till des- sas skyddsnivå, vilket här är + 270 kV respektive - 270 kV.The protection voltage level of these pole conductors is + 270 kV and - 270 kV respectively. This means in practice that the following happens if an initially defined earth fault should occur, ie if in the case of several phases of the converter an earth fault occurs on the alternating voltage phase line 20. In such a case the overvoltage on the other phases will charge the two poles 5 , 6 to their protection level, which here are + 270 kV and - 270 kV respectively.
Strömriktaren blockerar då, vilket innebär att spänningen över den flygande kondensatorn fryses. Däremot kommer potentialen hos de båda andra mittpunkterna 27 och 29 vara beroende av vilken enhet som leder när blockeringen sker. Skulle inte de upp- finningsenliga seriekopplingarna (31-36) finnas, då skulle spän- ningen över de i seriekopplingen av enheterna yttre enheterna 1 eller 4 kunna bli två gånger skyddsnivån minus spänningen över kondensatorn. Exempelvis skulle detta vid en spänning över den flygande kondensatorn 28 av 150 kV när den negativa polen 6 är ansluten till fasutgången, d v s - 270 kV ligger på denna, poten- tialen hos den andra mittpunkten 27 bli - 120 kV, vilket skulle in- nebåra att en spänning av 390 kV skulle ligga över den yttre ventilen 1. Verkligheten skulle då kunna vara än värre, genom att i något felfall kondensatorspänningen skulle kunna vara lägre än avsett. Antalet seriekopplade halvledarelementet respektive dio- der i dessa yttre ventiler måste hos tidigare kända strömriktare av denna typ väljas för att klara en sådan spänningsnivå, varvid det även måste tas hänsyn till att dessa element inte alla är ex- akt lika utan spänningen dem emellan skulle kunna snedfördelas något 10 15 20 25 30 35 519 957 11 Genom anordnandet av nämnda seriekopplingar av en avledare samt en andra diod mellan jord och varje andra mittpunkt kan dock spänningen över de yttre ventilerna vid en dylikt felfall medbringas avsevärt. Närmare bestämt kommer i det just be- skrivna felfallet dioden 31 att börja leda, därest den negativa potentialen hos den andra mittpunkten 27 är lägre än - 15 kV, så att en uppladdning av den flygande kondensatorn 28 sker så att potentialen hos den andra mittpunkten 27 vid ett sådant felfall blir just - 15 kV, vilket innebär en spänning över den yttre venti- len 1 av 285 kV, vilket skall jämföras med 390 kV enligt ovan.The converter then blocks, which means that the voltage across the flying capacitor freezes. However, the potential of the other two midpoints 27 and 29 will depend on which unit is leading when the blocking occurs. If the series connections (31-36) according to the invention do not exist, then the voltage across the external units 1 or 4 in the series connection of the units could be twice the protection level minus the voltage across the capacitor. For example, at a voltage across the flying capacitor 28 of 150 kV when the negative pole 6 is connected to the phase output, i.e. - 270 kV lies on it, the potential of the second center point 27 would be - 120 kV, which would mean that a voltage of 390 kV would be above the external valve 1. The reality could then be even worse, in that in some error the capacitor voltage could be lower than intended. The number of series-connected semiconductor elements and diodes in these external valves must be selected in previously known converters of this type in order to cope with such a voltage level, it must also be taken into account that these elements are not all exactly equal but the voltage between them could However, by arranging said series connections of a diverter and a second diode between earth and every second center point, however, the voltage across the external valves in the event of such a failure can be brought along considerably. More specifically, in the fault case just described, the diode 31 will start to conduct, in which case the negative potential of the second center point 27 is lower than - 15 kV, so that a charging of the flying capacitor 28 takes place so that the potential of the second center point 27 in the event of such a fault, just - 15 kV, which means a voltage across the external valve 1 of 285 kV, which is to be compared with 390 kV as above.
Motsvarande åstadkommer den andra seriekopplingen ansluten till den andra mittpunkten 29 vad gäller sänkandet av den maxi- mala spänningen över den yttre ventilen 4 närmast den negativa polen 6.Correspondingly, the second series connection connected to the second center point 29 provides for the lowering of the maximum voltage across the outer valve 4 closest to the negative pole 6.
En annan fördel med den uppfinningsenliga anordningen av de båda jordanslutningarna av de båda andra mittpunkterna 27, 29 via seriekopplingen av en andra diod och en avledare är att den flygande kondensatorn 28 kommer att laddas mycket snabbt via dioderna 15, 32 eller 31, 16 när brytaren 26 slutes för spän- ningssättning av strömriktaren från växelspänningssidan efter driftsavbrott. Detta innebär att den flygande kondensatorn 28 kan laddas upp till den nivå den är avsedd att ha under normal drift på ca en halv strömperiod, vilket i praktiken är lika snabbt som likspänningssidans båda kondensatorer 7 och 8 uppladdas och därigenom halvledarelementen i ytterventilerna 1, 4 inte utsätts för några överdrivna spänningar i samband med spänningssätt- ningen.Another advantage of the device according to the invention of the two earth connections of the two other center points 27, 29 via the series connection of a second diode and a arrester is that the flying capacitor 28 will be charged very quickly via the diodes 15, 32 or 31, 16 when the switch 26 is closed for energizing the inverter from the AC side after an interruption of operation. This means that the flying capacitor 28 can be charged to the level it is intended to have during normal operation of about half a current period, which in practice is as fast as the DC capacitors both capacitors 7 and 8 are charged and thus the semiconductor elements in the outer valves 1, 4 are not exposed to some excessive voltages in connection with the voltage setting.
Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till den ovan beskriva föredragna utföringsformen, utan en mängd möj- ligheter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på området, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke, sådan denna definieras i bifogade patentkrav. 10 15 519 957 12 Exempelvis vore det möjligt att anordna en resistans parallellt med respektive spänningsbegränsningsorgan 33, 34 p g a den i den andra dioden 31 respektive 32 förekommande Iäckströmmen.The invention is of course not in any way limited to the preferred embodiment described above, but a number of possibilities for modifications thereof should be obvious to a person skilled in the art, without this departing from the basic idea of the invention, as defined in the appended claims. . For example, it would be possible to arrange a resistance in parallel with the respective voltage limiting means 33, 34 due to the leakage current present in the second diode 31 and 32, respectively.
Det skulle likaledes kunna vara fördelaktigt att anordna något or- gan för övervakning av de andra dioderna 31, 32 eller överdi- mensionera dessa för att slippa sådan bevakning. l SVC-fallet skulle med fördel punkterna 35, 36 och 9 kopplas ihop och flyta fritt. Även om uppfinningen är speciellt inriktad på en s k trenivå- strömriktare påpekas att den inte är begränsad till det antalet ni- våer, utan det vore även möjligt att seriekopplingen innefattar 2 n enheter, varvid n är ett heltal 2 3, och strömriktaren därvid har n-1 av nämnda andra mittpunkter belägna i motsvarande posi- tioner relativt fasutgången på vardera sida av denna och för- bundna med varandra genom en flygande kondensator.It could also be advantageous to provide some means for monitoring the other diodes 31, 32 or to oversize them in order to avoid such monitoring. In the SVC case, points 35, 36 and 9 would advantageously be connected and float freely. Although the invention is particularly focused on a so-called three-level converter, it is pointed out that it is not limited to that number of levels, but it would also be possible for the series connection to comprise 2 n units, where n is an integer 2 3, and the converter thereby has n -1 of said other midpoints located in corresponding positions relative to the phase output on each side thereof and connected to each other by a flying capacitor.
Claims (10)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0004028A SE519957C2 (en) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | Device for converting AC voltage to DC voltage |
| PCT/SE2001/002251 WO2002037658A1 (en) | 2000-11-06 | 2001-10-17 | An apparatus for converting alternating voltage into direct voltage |
| EP01976990A EP1338083A1 (en) | 2000-11-06 | 2001-10-17 | An apparatus for converting alternating voltage into direct voltage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE0004028A SE519957C2 (en) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | Device for converting AC voltage to DC voltage |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SE0004028D0 SE0004028D0 (en) | 2000-11-06 |
| SE0004028L SE0004028L (en) | 2002-05-07 |
| SE519957C2 true SE519957C2 (en) | 2003-04-29 |
Family
ID=20281692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SE0004028A SE519957C2 (en) | 2000-11-06 | 2000-11-06 | Device for converting AC voltage to DC voltage |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1338083A1 (en) |
| SE (1) | SE519957C2 (en) |
| WO (1) | WO2002037658A1 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102771039B (en) | 2010-02-01 | 2015-07-29 | 三菱电机株式会社 | DC/DC power-converting device |
| DE102012206955B4 (en) | 2012-04-26 | 2016-09-22 | Osram Oled Gmbh | Method for producing a scattering layer for electromagnetic radiation |
| DE102014109048B4 (en) * | 2014-06-27 | 2022-02-10 | Sma Solar Technology Ag | Circuit arrangement with a multi-level half-bridge arrangement |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2752343B1 (en) * | 1996-08-09 | 1998-09-11 | Gec Alsthom Transport Sa | ELECTRONIC DEVICE FOR CONVERTING ELECTRICAL ENERGY |
| DE69940533D1 (en) * | 1998-07-30 | 2009-04-23 | Koninkl Philips Electronics Nv | Power amplifier with soft switching and multi-level switching cells |
-
2000
- 2000-11-06 SE SE0004028A patent/SE519957C2/en not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-10-17 WO PCT/SE2001/002251 patent/WO2002037658A1/en not_active Application Discontinuation
- 2001-10-17 EP EP01976990A patent/EP1338083A1/en not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE0004028L (en) | 2002-05-07 |
| SE0004028D0 (en) | 2000-11-06 |
| EP1338083A1 (en) | 2003-08-27 |
| WO2002037658A1 (en) | 2002-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11108338B2 (en) | Dual submodule for a modular multilevel converter and modular multilevel converter including the same | |
| Jovcic et al. | Power flow control in DC transmission grids using mechanical and semiconductor based DC/DC devices | |
| CN109586327B (en) | Energy consumption device and control method thereof | |
| US10637371B2 (en) | Interface arrangement between an alternating current power system and a direct current power system with control of converter valve for fault protection | |
| US10763742B2 (en) | Control of voltage source converters | |
| US8971070B2 (en) | Interface arrangement between AC and DC systems for reliable opening of the circuit breaker in time | |
| JP5646265B2 (en) | Direct converter and system comprising such a direct converter | |
| SE504522C2 (en) | Power transmission with high voltage direct current comprising more than two inverter stations | |
| WO2012116738A1 (en) | Fault current limitation in dc power transmission systems | |
| US9461555B2 (en) | HVDC series current source converter | |
| SE518070C2 (en) | VSCconverter | |
| Peng et al. | A protection scheme against DC faults VSC based DC systems with bus capacitors | |
| US11777401B2 (en) | Fault tolerant AC-DC chain-link converter | |
| US20170264187A1 (en) | A voltage source converter | |
| SE520838C2 (en) | Electric power transmission system provided with disconnectors consisting of antiparallel coupled controllable power semiconductor elements | |
| EP2852040A1 (en) | Module | |
| EP2849330A1 (en) | Modular Power Converter and module thereof | |
| US20210359617A1 (en) | Electrical assembly | |
| WO2015172825A1 (en) | Ac fault handling arrangement | |
| WO2018041338A1 (en) | Short-circuit protection of a converter cell auxiliary power supply in a modular multi-cell converter | |
| US10763666B2 (en) | Voltage source converter | |
| CN105896477A (en) | Grounding protection method of modular multilevel converter and modular multilevel converter | |
| EP3476031A1 (en) | Protection of semiconductors in power converters | |
| SE519957C2 (en) | Device for converting AC voltage to DC voltage | |
| CA2861779A1 (en) | Method for operating an electrical circuit and electrical circuit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NUG | Patent has lapsed |