SE520840C2 - Anordning för omriktning samt förfarande för styrning därav - Google Patents

Description

30 35 . w t a . = 520 840 2 densatorn, samt ett förfarande för styrning av en sådan anord- ning.

Sådana anordningar kan användas i allehanda situationer, då likspänning skall omvandlas till växelspänning och tvärtom, var- vid exempel på sådana användningar är i stationer hos HVDC- anläggningar (högspänd likström), i vilka likspänningen normalt omvandlas till trefas-växelspänning eller omvänt eller i så kallade back-to-back-stationer, där växelspänningen först omvandlas till likspänning och sedan denna till växelspänning liksom i SVC-er (Static Var Compensator), där likspänningssidan består av en eller flera fritt hängande kondensatorer.

Uppfinningen är inte begränsad till några spännings- eller effekt- nivåer, men är speciellt lämpad för spänningar på likspännings- sidan mellan 10 och 500 kV.

Det påpekas att uppfinningen ingalunda är begränsad till att det finns endast en nämnd flygande kondensator och ett därmed samordnat par av andra mittpunkter, utan antalet av dessa kan vara godtyckligt, så att i nämnda huvuddriftsform tre, fyra, fem osv olika spänningsnivåer hos pulserna på fasutgången vore tänkbara. En fördel med att använda sådana så kallade flernivå- omriktare, det vill säga omriktare hos vilka åtminstone tre olika spänningsnivåer kan ”läggas ut" på nämnda fasutgång, i förhål- lande till så kallade tvånivàbryggor, är att halvledarelementen hos nämnda enheter kan omkopplas med en betydligt lägre fre- kvens för uppnående av en växelspänning på växelspännings- fasledningen av en bestämd frekvens och kvalitet, så att förlus- terna hos omriktaranordningen kan reduceras avsevärt. Närmare bestämt kan switchfrekvensen hos halvledarelementen i en treni- våomriktare under nämnda förhållanden reduceras till ca 1/3. En fördel med att använda så kallade flygande kondensatorer för att uppnå ytterligare spänningsnivåer hos fasutgången utöver spän- ningsnivån hos likspänningssidans båda poler i förhållande till en användning av så kallade klampningsdioder är framförallt att halvledarelementen i det senare fallet måste styras på sådant 10 15 20 25 30 35 520 840 3 sätt att det sker en ojämn fördelning av switchförluster mellan dem, så att i praktiken alla halvledarelement måste dimensione- ras för att klara den maximala belastningen som ett enskilt halv- ledarelement 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 halvledar- elementen 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 vid den inledningsvis definierade anordningen, kan en flernivàom- riktare med möjlighet till en jämnare belastning av halvledarele- menten vad gäller switchförluster uppnås utan användande av dyra så kallade klampningsdioder eller extra halvledarelement.

Anordningar av det inledningsvis definierade slaget är tidigare kända bland annat genom US 5 737 201, US 5 706 188 samt US 5 940 285.

Det finns naturligtvis ständigt en strävan att förbättra omriktaran- ordningar av detta slag, bland annat vad gäller de switchförluster som uppstår i enheternas (strömventilernas) halvledarelement.

Speciellt när under vissa tidsperioder effekter av en nivå betyd- ligt lägre än den nominella effekt omriktaranordningen är dimen- sionerad att kunna överföra överförs genom omriktaranordningen mellan dess likspänningssida och växelspänningssida tenderar hos tidigare kända sådana anordningar switchförlusterna i halv- ledarelementen att göra sig märkbara, då deras andel av de to- tala förlusterna i omriktaranordningen då blir betydligt större. Det finns även önskemål om att i övrigt förbättra funktionen av en omriktaranordning av denna typ.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en om- riktaranordning av inledningsvis definierat slag samt ett förfa- rande för styrning därav, vilka i åtminstone något hänseende re- 10 15 20 25 30 35 520 840 4 sulterar i en med avseende på tidigare kända sådana anord- ningar förbättrad funktion hos en sådan anordning.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att en sådan an- ordning dessutom innefattar organ anordnade att mäta en eller flera funktionsparametrar hos anordningen indikativa för om en andra, alternativ driftsform av anordningen är lämplig, att anord- ningen innefattar medel anordnade att möjliggöra inställning av nivån hos växelspänningen hos fasutgången, och att styrinrätt- ningen är anordnad att vid en genom de av mätorganet uppmätta parametrarna fastställd lämplighet av en alternativ driftsform överföra anordningen till en andra, alternativ driftsform genom att: a) styra halvledarelementen hos enheten/enheterna mellan re- spektive nämnda andra mittpunkt och närmaste likspännings- pol att vara konstant tända för konstant anslutning av respek- tive andra mittpunkt till likspänningspolens potential, b) styra nämnda medel att minska nivån hos växelspänningen hos fasutgången relativt nivån vid huvuddriftsformen till att vara högst den andel av nivån vid huvuddriftsformen som mot- svarar andelen enheter av seriekopplingen belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna konstant anslutna mittpunkter av det totala antalet enheter hos seriekopplingen, och c) styra halvledarelementen hos enheterna belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna konstant anslutna mittpunkter så att det alstras ett tåg av pulser med de olika ni- våer som är möjliga med en i denna driftsform genom enhe- terna mellan de båda andra mittpunkterna förbundna med re- spektive likspänningspotential bildad temporär omriktare.

Genom att på detta sätt ändra driftsformen hos omriktaranord- ningen när förhållandena möjliggör detta kan betydande fördelar uppnås. Det påpekas emellertid att i normala fall, det vill säga när förhållandena är sådana för vilka omriktaranordningen di- mensionerats, då drivs denna enligt huvuddriftsformen. l den al- 10 15 20 25 30 35 520 840 5 ternativa driftsformen finns en möjlighet att förlusterna reduceras genom att tillvägagàngssättet medför att spänning-/ström- förhållandet ändras i ”switch”-omslagsögonblicket i förhållande till huvuddriftsformen. l den alternativa driftsformen bibehålls strömnivån men spänningen reduceras gentemot hu- vuddriftsformen, där strömmen reduceras medan spänningen bi- behålls vid samma effekt. Detta möjliggörs genom att nämnda medel ser till att spänningsnivån hos fasutgången reduceras på angivet sätt relativt huvuddriftsformen, så att halvledarelementen hos dessa enheter inte får högre spänningar över sig i det block- erande tillståndet hos respektive enhet än i huvuddriftsformen.

Den primära fördelen som uppnås genom att överföra anord- ningen till den alternativa driftsformen och medför användning av den alternativa driftsformen för att stabilisera trnsmissionen gentemot anslutna nät är att den flygande kondensatorn, som nu kommer att bli direkt ansluten mellan de båda Iikspänningspo- lerna, kommer att fungera som en så kallad avkopplingskonden- sator, så att dess kapacitans adderas till de på likspänningssidan befintliga avkopplingskondensatorernas kapacitans. Då kapaci- tansen hos den flygande kondensatorn normalt är stor relativt avkopplingskondensatorerna på likspänningssidan, normalt 2-4 gånger så stor, kommer den totala energimängden på anord- ningens likspänningssida, det vill säga energilagret, att öka mar- kant, vilket ökar stabiliteten hos hela systemet, eftersom förhål- landet (lagrad energi hos likspänningssidan)/(av anordningen hanterad effekt) ökas.

Det är i och för sig så att vid övergång från huvuddriftsformen till den andra driftsformen kommer antalet möjliga spänningsnivåer på fasutgången att minska och därigenom en något högre switchfrekvens bli nödvändig för de halvledarelement som fortfa- rande switchas, men detta kommer att övervägas av att inte längre några switchningar måste äga rum hos de yttre enheterna.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda medel för inställning av nivån hos spänningen hos fasut- gången en lindningskopplare ansluten till en transformator an- 10 15 20 25 30 35 520 840 6 ordnad mellan fasutgången och växelspänningsfasledningen, och inrättningen är anordnad att styra lindningskopplaren att redu- cera spänningen hos fasutgången i den alternativa driftsformen relativt huvuddriftsformen genom manövrering av lindningskopp- laren. En transformator är normalt förefintlig, och även en lind- ningskopplare kan vara så, för att ge spänningen hos växelspän- ningsledningen en önskad nivå relativt spänningen på likspän- ningssidan, varför inställningen av nivån hos spänningen hos fasutgången kan ske med mycket enkla medel genom att helt en- kelt styra lindningskopplaren på erforderligt sätt när driftsform hos anordningen skall bytas. Skulle emellertid växelspännings- fasledningen vara ansluten till ett passivt växelspänningsnät, då vore det även möjligt att ställa in nivån hos växelspänningen hos fasutgången indirekt genom att ställa in nivån på likspänningen mellan de båda polerna på anordningens likspänningssida.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda organ anordnat att mäta den effekt som överförs och/eller skall överföras genom anordningen mellan dess likspännings- och växelspänningssida, och inrättningen är anord- nad att överföra anordningen till den andra, alternativa driftsfor- men när denna effekt är högst den andel av den av anordningen i huvuddriftsformen nominellt överförbara effekten som motsvarar andelen enheter av seriekopplingen belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna enligt a) konstant anslutna mittpunkter av det totala antalet enheter hos seriekopplingen.

Härigenom möjliggörs ett överförande av anordningen till den andra driftsformen så snart den effekt som skall överföras av an- ordningen sjunker under den nivå som möjliggör denna drifts- form, och samtidigt tillförsäkras att strömmen igenom anord- ningen inte kan bli högre än den högsta tillåtna nominella nivån på den vid huvuddriftsformen. Skulle spänningen på fasutgången och därigenom mellan likspänningssidans båda poler sänkas, vil- ket ju är nödvändigt om de yttre enheterna hela tiden skall vara tända, utan att man har någon koll på att den effekt som skall överföras genom anordningen minskas i motsvarande grad, då skulle ju i annat fall strömmen igenom anordningen kunna bli 10 15 20 25 30 35 520 840 7 otillåtet stor. Att tillse detta avser dessutom mera uttryckligen en ytterligare utföringsform av uppfinningen, hos vilken inrättningen och nämnda medel är anordnade att samverka så att styrkan hos strömmen genom omriktaranordningen vid övergång mellan hu- vuddriftsformen och den alternativa driftsformen hålls lika med eller lägre än den högst tillåtna nominella nivån hos den vid hu- vuddriftsformen. l praktiken innebär detta att hos en annan föredragen utförings- form av uppfinningen, vilken uppvisar endast två nämnda andra mittpunkter och är anordnad att i huvuddriftsformen fungera som en 3-nivåomriktare, hos vilken inrättningen är anordnad att i den andra, alternativa driftsformen i c) styra halvledarelementen hos enheterna belägna mellan de båda andra mittpunkterna som en 2-nivåomriktare, så att ett tåg av omväxlande positiva och nega- tiva pulser alstras på fasutgången, effekten måste sjunka till att vara högst hälften av den nominella effekt som hela omriktaren i huvuddriftsformen är avsedd för innan omriktaranordningen kan överföras till den alternativa driftsformen, eftersom ju spänningen på fasutgången måste minskas till högst hälften av den nominella spänningen, förutsatt att alla enheterna ser likadana ut. Det vore naturligtvis även möjligt att minska spänningen mer, exempelvis till 1/3, men då får inte den effekt som skall överföras vara högre än 1/3 av omriktaranordningens nominella effekt i huvuddrifts- formen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen uppvi- sar anordningen en seriekoppling av 2n enheter, varvid n är ett heltal z 3 och (n-1) par av nämnda andra mittpunkter är belägna i motsvarande positioner relativt fasutgången på motsatta sidor av denna och förbundna med varandra genom en flygande konden- sator. inrättningen är anordnad att i den andra, alternativa driftsformen hos anordningen i a) styra halvledarelementen hos enheten/enheterna mellan en andra mittpunkt hos något av paren av andra mittpunkter och respektive likspänningspol att vara konstant tända för konstant anslutning av denna andra mittpunkt och ävenledes den motsatta, till samma par hörande andra mitt- 10 15 20 25 30 520 840 8 punkten till närmaste likspänningspotential. Därvid är det möjligt att exempelvis en omriktaranordning som är en 4-nivåomriktare i huvuddriftsformen förs över till en alternativ driftsform i form av en 3-nivåomriktare genom anslutande av det yttre paret andra mittpunkter till respektive likspänningspol eller till en 2-nivåom- riktare genom anslutning av det inre paret andra mittpunkter till respektive likspänningspotential. Det vore därvid möjligt att nämnda organ, som exempelvis mäter den effekt som skall överföras av omriktaranordningen, används för att bestämma vil- ken av de båda alternativa driftsformerna som skall väljas. Detta innebär att det även vore möjligt* att skifta mellan de båda andra, alternativa driftsformerna, det vill säga mellan 3-nivåomriktarfal- let och 2-nivåomriktarfallet beroende på storleken på den effekt som skall överföras. Normalt kommer dock anordningen att dri- vas som en 4-nivåomriktare, då det ju är detta den är dimensio- nerad för.

Uppfinningen avser även ett förfarande enligt bifogade förfaran- depatentkrav, och egenskaperna och fördelarna hos detta fram- går med all önskvärd tydlighet av diskussionen ovan av motsva- rande föredragna utföringsformer av den uppfinningsenliga an- ordningen.

Likaledes avser uppfinningen ett datorprogram samt ett datorläs- bart medium enligt motsvarande bifogade patentkrav. Det inses lätt att förfarandet enligt uppfinningen definierat i bifogade upp- sättning förfarandepatentkrav är väl lämpat att utföras genom programinstruktioner från en processor påverkbar av ett med ifrågavarande programsteg försett datorprogram.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav. 10 15 20 25 30 35 520 840 9 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna utfö- ringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: fig 1 är ett förenklat kopplingsschema illustrerande en anordning enligt en första föredragen utföringsform av uppfinningen, fig 2 år ett ytterst förenklat diagram illustrerande utseendet hos spänningspulser på fasutgången hos anordningen enligt fig 1 i två olika driftsformer hos den, fig 3 är en fig 1 motsvarande vy av en anordning enligt en andra föredragen utföringsform av uppfinningen, och fig 4 är ett fig 2 motsvarande diagram illustrerande möjliga spän- ningspulser på fasutgången hos anordningen enligt fig 3 i tre olika möjliga driftsformer av den anordningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN I fig 1 är endast den del av omriktaranordningen som är ansluten till en fas hos en växelspänningsfasledning visad, varvid antalet faser normalt är tre, men det är även möjligt att detta utgör hela omriktaranordningen, då denna är ansluten till ett enfas-växe|- spänningsnät. Omriktaranordningen är en så kallad VSC-ström- riktare (Voltage Source Converter), vilken uppvisar fyra enheter 1-4, vanligtvis kallade transistorventiler eller alternativt tyristor- ventiler, seriekopplade mellan de båda polerna 5, 6 hos en Iikspänningssida hos anordningen. Två seriekopplade så kallade avkopplingskondensatorer 7, 8 är anordnade mellan nämnda båda poler, och en mittpunkt 9 mellan dessa ansluts vanligtvis till jord, så att på detta sätt potentialerna +U/2 respektive -U/2 till- handahålls hos respektive pol, varvid U är spänningen mellan de båda polerna 5, 6. 10 15 20 25 30 35 520 840 10 Enheterna 1-4 är var och en uppbyggd av ett släckbart halvle- darelement 10-13, såsom en IGBT eller GTO, och en antiparal- lellt därmed kopplad likriktande diod 14-17, så kallad frihjulsdiod.

Fastän endast en IGBT eller GTO per enhet visas kan denna stå för en mängd, seriekopplade, simultant styrda IGBT-er eller GTO- er, vilket ävenledes är fallet, då det krävs ett förhållandevis stort antal sådana halvledarelement för att hålla den spänning som varje enhet måste hålla i blockerat tillstånd.

En första mittpunkt 18, vilken utgör omriktarens fasutgång, är ansluten till en växelspänningsledning 19, via ett filter i form av en induktor 20 och en kondensator 21 samt via en transformator 22, till vilken en lindningskopplare 23 är ansluten och styrbar på sätt som kommer att förklaras längre fram. På detta sätt uppde- las nämnda seriekoppling i två likadana delar med två enheter 1, 2 respektive 3, 4 hos varje sådan del.

En andra mittpunkt 24 mellan två nämnda enheter hos den ena delen hos seriekopplingen är via en flygande kondensator 25 an- sluten till en med avseende på fasutgången motsvarande andra mittpunkt 26 hos seriekopplingens andra del.

Anordningen uppvisar vidare en inrättning 27 anordnad att styra de olika halvledarelementen hos enheterna 1-4 och därigenom tillse att nämnda fasutgång ansluts och erhåller samma potential som polen 5, polen 6 eller någon av nämnda andra mittpunkter 24, 26, vilket för mittpunkten 24 innebär potentialen hos polen 6 adderad med spänningen över kondensatorn 25 och för mitt- punkten 26 spänningen hos polen 5 subtraherad med spänningen över kondensatorn 25. Detta är vad inrättningen är anordnad att göra i en huvuddriftsform hos anordningen, vilken motsvarar hur en omriktaranordning av detta slag normalt brukar styras. lnrätt- ningen 27 och dess anordnande är mycket förenklat framställt här, och i praktiken torde en separat sådan inrättning vara an- ordnad på hög potential vid varje enskild enhet och dessa erhålla styrsignaler från en på marknivå anordnad styrinrättning. 10 15 20 25 30 35 520 840 11 Anordningen uppvisar ävenledes mycket schematiskt antydda or- gan 28 anordnade att mäta den effekt som överförs av anord- ningen mellan dess likspänningssida och dess växelspännings- sida. Dessa organ inbegriper normalt en mätning av spänning och ström samt beräkning av effekten utifrån de så uppmätta värdena. Informationer om den effekt som överförs sänds från organen 28 till styrinrättningen 27.

Det kommer inte här att gås in på hur en pulsbreddsmodulering vid en omriktning hos en omriktaranordning enligt fig 1 normalt sker, då det för detta hänvisas till exempelvis de inledningsvis nämnda amerikanska patenten, utan härefter skall nu det speci- fika för föreliggande uppfinning beskrivas, nämligen att omriktar- anordningen överförs mellan olika driftsformer innebärandes olika många möjliga nivåer hos spänningspulserna på fasut- gången 18 i beroende av olika driftsbetingelser hos anordningen.

När det genom organet 28, vilket ävenledes skulle kunna inbe- gripa en på marknivå belägen styrinrättning som ger en order om den effekt som skall överföras, detekteras att den effekt som skall överföras mellan omriktarens likspänningssida och växel- spänningssidan är s halva den nominella effekt omriktaren är ut- formad för, då överför styrinrättningen 27 omriktaren till en andra, alternativ driftsform efter erhållande av information om detta. Sådant överförande sker dock bara om det bedöms att denna alternativa driftsform kan bibehållas under en förhållande- vis lång tid, såsom åtminstone i storleksordningen 15 minuter, och det sker inte något ständigt omkopplande mellan de båda driftsformerna, då det tar åtminstone några sekunder innan driftsformbytet är helt genomfört. Nu styr styrinrättningen 27 lindningskopplaren 23 att ändra spänningsnivån hos fasutgången till hälften av den nivå den hade i den ordinarie driftsformen, då spänningsnivån på växelspänningsfasledningen 19 är given och inte kan förändras. Samtidigt styr inrättningen 27 samtliga halv- ledarelement i enheterna 1 och 4 att tändas och hållas konstant tända i denna andra driftsform, så att de andra mittpunkterna 24, 26 är konstant anslutna till respektive likspänningspol 5, 6. Detta 10 15 20 25 30 35 520 840 12 innebär att de båda kondensatorerna 7, 8 kommer att börja lad- das ur så att spänningen mellan likspänningspolerna 5, 6 blir densamma som över den flygande kondensatorn 25, det vill säga U/2.

Nu kommer även den flygande kondensatorn 25 att bli en av- kopplingskondensator och därigenom den av avkopplingskonden- satorerna på likspänningssidan lagrade energin att öka markant i förhållande till den effekt som överförs via omriktaranordningen, så att stabiliteten hos systemet ökas avsevärt.

Vidare begynner nu styrinrättningen 27 att styra halvledarele- menten 11, 12 hos de båda enheterna 2, 3 som en konventionell två-nivåomriktare. Således switchas inte halvledarelementen i enheterna 1 och 4 under denna andra alternativa driftsform. Om effekten är hälften så stor som den nominella effekten kommer strömstyrkan genom anordningen att vara densamma som den nominella strömstyrkan vid huvuddriftsformen, men om den är lägre kommer strömstyrkan att minska. Dock kommer den att bli högre än om omriktaren drivits enligt huvuddriftsformen vid samma nivå på den överförda effekten. l fig 2 visas mycket schematiskt vad som händer med pulserna på fasutgången 18 vid övergången från den ena driftsformen till den andra. Huvuddriftsformen illustreras till vänster under den del av strömperioden som spänningspulserna är positiva. Här är amplituden på pulserna U/2 respektive 0, medan det till höger visas hur pulser med en amplitud på U/4 respektive -U/4 alstras på fasutgången vid den alternativa driftsformen.

I fig 3 illustreras hur uppfinningen kan appliceras på en omriktare med fler nivåer, närmare bestämt en 4-nivåomriktare. Således är antalet enheter hos en omriktaranordning enligt uppfinningen 2n, varvid n är ett heltal _>_ 2, och hos en sådan uppnås då n+1 möj- liga nivåer hos fasutgången. Det finns n-1 par av nämnda andra mittpunkter belägna i motsvarande positioner relativt fasut- gången på motsatta sidor av denna och förbundna med varandra 10 15 20 25 30 35 520 840 13 genom en flygande kondensator. I det i fig 3 visade fallet finns således två par 29, 30 och 31, 32 andra mittpunkter med var sin flygande kondensator 33 respektive 34. Hos en omriktaranord- ning av detta slag kan nivåerna +U/2, +U/6, -U/6 och -U/2 upp- nås på fasutgången 18 när omriktaren drivs enligt den ordinarie huvuddriftsformen. De båda mellanliggande nivåerna kan då uppnås på olika sätt. Exempelvis kan +U/6 uppnås på fasut- gången antingen genom att göra enheterna 35, 36 och 38 le- dande eller genom att göra enheterna 40, 36 och 37 ledande.

Motsvarande resonemang gäller för att uppnå -U/6.

När det konstateras att under en icke oansenlig tid en betydligt lägre effekt skall överföras mellan likspänningssidan och växel- spänningssidan hos omriktaranordningen än anordningens nomi- nella effekt, då styr styrinrättningen 27 lindningskopplaren 23 samt enheternas halvledarelement på motsvarande sätt som be- skrivits för utföringsformen enligt fig 1 för att uppnå en alternativ driftsform. Därvid kan två olika alternativa driftsformer väljas be- roende på hur låg den effekt som skall överföras är i förhållande till nämnda nominella effekt. Är denna lägre än 2/3 men större än 1/3 av den nominella effekten, då kan halvledarelementen hos de båda yttre ventilerna 35, 40 bringas att vara konstant tända, så att de andra mittpunkterna 29, 30 anslutes till likspänningspo- lerna 5 respektive 6 och den flygande kondensatorn 33 blir en avkopplingskondensator. Då styrs samtidigt lindningskopplaren 23 att ändra spänningen hos fasutgången 18 till att bli 2/3 av spänningen i huvuddriftsformen, så att spänningen över de olika enheterna 36-39 inte ökas vid övergång från den ena driftsfor- men till den andra. Sedan drivs enheterna 36-39 som en tre-ni- våomriktare.

Skulle den effekt som skall överföras vara lägre än 1/3 av den nominella effekten, då kan även halvledarelementen hos venti- lerna 36 och 39 styras att vara konstant tända, så att de båda mittpunkterna 31, 32 hålls konstant anslutna till respektive likspänningspol 5, 6. l detta fall styr styrinrättningen 27 lind- ningskopplaren 23 att minska spänningen på fasutgången 18 att 10 15 20 25 30 35 520 840 14 vara 1/3 av spänningen vid huvuddriftsformen. Sedan styrs halv- ledarelementen hos enheterna 37 och 38 som en två-nivåomrik- tare. Så snart förhållandena ändras, det vill säga nivån på den effekt som skall överföras via anordningen blir en annan, då änd- ras naturligtvis driftsformen, exempelvis återgås till huvuddrifts- formen om återigen en högre effekt skall överföras via anord- ningen.

I fig 4 illustreras schematiskt skillnaden mellan de tre driftsfor- merna hos omriktaranordningen enligt fig 3, varvid längst till vänster spänningspulserna på fasutgången 18 vid huvuddrifts- formen som en fyr-nivåomriktare visas under en del då pulserna är positiva. Således har pulserna här en storlek av U/2 och U/6.

Vid den alternativa driftsformen med de andra mittpunkterna 29, 30 konstant anslutna till likspänningspolerna kan de tre nivåer som illustreras i mitten av fig 4 uppnås hos spänningen på fasut- gången 18. Således uppnås här antingen U/3, noll eller -U/3. Till höger visas att vid två-nivåomriktardrift uppnås pulserna U/6 och -U/6 omväxlande på fasutgången 18.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området utan att denne för den skull avviker från uppfin- ningens grundtanke, sådan denna definieras i bifogade patent- krav. Såsom redan nämnts skulle i fallet av ett passivt växel- spänningsnät anslutet på omriktaranordningens växelspännings- sida spänningen hos fasutgången 18 kunna indirekt ställas in ge- nom inställning av spänningen mellan likspänningssidans båda poler utifrån likspänningssidan.

Patentkravsdefinitionen att anordningen uppvisar mätorgan är att ge en mycket vid betydelse och täcker även in fallet då en viss effektorder ges från en styrinrättning, till exempel på marknivå, och denna information sänds vidare till inråttningen hos den upp- finningsenliga anordningen. Organet utgörs då så att säga av styrinrättningen som sänder ut och har vetskap om effektordern.

Claims (30)

10 15 20 25 30 35 520 840 15 Patentkrav

1. l. Anordning för omriktning av växelspänning till Iikspänning och vice versa, vilken innefattar en mellan två poler (5, 6), en positiv och en negativ, hos en likspänningssida hos anordningen anord- nad seriekoppling av minst fyra enheter (1-4, 35-40) vardera in- nefattande ett släckbart halvledarelement (10-13) och en därmed antiparalleiit kopplad diod (14-17), en växelspänningsfasledning (19) ansluten till en första mittpunkt, benämnd fasutgång (18), på seriekopplingen mellan två enheter under uppdelande av serie- kopplingen i två lika delar, varvid likspänningssidans båda poler är lagda på väsentligen samma spänning men med motsatta tecken i förhållande till en nollspänningsnivå hos likspänningssi- dan, varvid den innefattar en andra mittpunkt (24, 29, 31) mellan två nämnda enheter hos den ena delen hos seriekopplingen via en flygande kondensator (25, 33, 34) ansluten till en med avse- ende på fasutgången motsvarande andra mittpunkt (26, 30, 32) hos seriekopplingens andra del, och en inrättning (27) för sty- rande av enheternas halvledarelement, vilken vid en hu- vuddriftsform hos anordningen är anordnad att styra halvledar- elementen att alstra ett tåg av pulser med bestämda amplituder enligt ett pulsbreddsmoduleringsmönster på anordningens fasut- gång genom omväxlande anslutning av fasutgången till åtmins- tone likspänningssidans pluspol, minuspol samt var och en av nämnda andra mittpunkter genom att enheten/enheterna mellan en annan andra mittpunkt och närmaste likspänningspol samt enheten/enheterna mellan ifrågavarande andra mittpunkt och fasutgången görs ledande, för att ge fasutgången en spännings- nivå motsvarande en summa av spänningen hos nämnda när- maste likspänningspol och spänningen över den flygande kon- densatorn, kännetecknad därav, att anordningen dessutom in- nefattar organ (28) anordnade att mäta en eller flera funktionspa- rametrar hos anordningen indikativa för om en andra, alternativ driftsform av anordningen är lämplig, att anordningen innefattar medel (23) anordnade att möjliggöra inställning av nivån hos växelspänningen hos fasutgången (18), och att styrinrättningen är anordnad att vid en genom de av mätorganet uppmätta para- 10 15 20 25 30 35 16 metrarna fastställd lämplighet av en alternativ driftsform överföra anordningen till en andra, alternativ driftsform genom att: a) styra halvledarelementen hos enheten/enheterna mellan re- spektive nämnda andra mittpunkt och närmaste likspän- ningspol att vara konstant tända för konstant anslutning av respektive andra mittpunkt till likspänningspolens potential, b) styra nämnda medel (23) att minska nivån hos växelspän- ningen hos fasutgången relativt nivån vid huvuddriftsformen till att vara högst den andel av nivån vid huvuddriftsformen som motsvarar andelen enheter av seriekopplingen belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna konstant anslutna mittpunkter av det totala antalet enheter hos serie- kopplingen, och c) styra halvledarelementen hos enheterna belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna konstant an- slutna mittpunkter så att det alstras ett tåg av pulser med de olika nivåer som är möjliga med en i denna driftsform genom enheterna mellan de båda andra mittpunkterna förbundna med respektive likspänningspotential bildad temporär omrik- tare.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att nämnda me- del (23) för inställning av nivån hos spänningen hos fasutgàngen innefattar en lindningskopplare (23) ansluten till en transformator (22) anordnad mellan fasutgàngen (18) och växelspänningsfas- ledningen (19), och att inrättningen (27) är anordnad att styra lindningskopplaren att reducera spänningen hos fasutgàngen i den alternativa driftsformen relativt huvuddriftsformen genom manövrering av lindningskopplaren.

3. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att växelspän- ningsfasledningen (19) är avsedd att vara ansluten till ett passivt växelspänningsnät, och att nämnda medel är anordnat att ställa in nivån hos växelspänningen hos fasutgàngen genom att ställa in nivån hos likspänningen mellan de båda polerna (5, 6) på an- ordningens likspänningssida. 10 15 20 25 30 35 520 840 17

4. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda organ (28) är anordnat att mäta den effekt som överförs och/eller skall överföras genom anordningen mellan dess likspännings- och växelspänningssida, och att inrättningen (27) är anordnad att överföra anordningen till den andra, alterna- tiva driftsformen när denna effekt är högst den andel av den av anordningen i huvuddriftsformen nominellt överförbara effekten som motsvarar andelen enheter av seriekopplingen belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna enligt a) konstant anslutna mittpunkter av det totala antalet enheter hos seflekopphngen.

5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att inrättningen (27) och nämnda medel (23) är anordnade att samverka så att styrkan hos strömmen genom omriktaranord- ningen vid övergång mellan huvuddriftsformen och den alterna- tiva driftsformen hålls lika med eller lägre än den högst tillåtna nominella nivån hos den vid huvuddriftsformen.

6. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att den uppvisar endast två nämnda andra mittpunkter (24, 26) och är anordnad att i huvuddriftsformen fungera som en tre-nivåomriktare, och att inrättningen (27) är anordnad att i den andra, alternativa driftsformen i c) styra halvledarelementen hos enheterna (2, 3) belägna mellan de båda andra mittpunkterna som en två-nivåomriktare, så att ett tåg av omväxlande positiva och negativa pulser alstras på fasutgången.

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad därav, att nämnda me- del (23) är anordnade att i den alternativa driftsformen i b) styra nivån hos växelspänningen hos fasutgången (18) att minska till hälften av nivån vid huvuddriftsformen.

8. Anordning enligt något av kraven 1-5, kännetecknad därav, att den uppvisar en seriekoppling av 2n enheter, varvid n är ett heltal 2 3, att (n-l) par av nämnda andra mittpunkter (29-32) be- 10 15 20 25 30 35 520 840 18 Iägna i motsvarande positioner relativt fasutgången (18) på mot- satta sidor av denna är förbundna med varandra genom en fly- gande kondensator (33, 34), och att inrättningen är anordnad att i den andra, alternativa driftsformen hos anordningen i a) styra halvledarelementen hos enheten/enheterna mellan en andra mittpunkt hos något av paren av andra mittpunkter (29-32) och respektive likspänningspol (5, 6) att vara konstant tända för kon- stant anslutning av denna andra mittpunkt och ävenledes den motsatta, till samma par hörande andra mittpunkten till närmaste llkspänningspotential.

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad därav, att n=3, att in- rättningen är anordnad att vid den alternativa driftsformen i a) styra halvledarelementen hos enheten/enheterna (35, 40) mellan respektive yttre, andra mittpunkt (29, 30) som ligger närmast re- spektive likspänningspol och likspänningspolen att vara konstant tända och att inrättningen är anordnad att i c) styra halvledar- elementen hos enheterna (36-39) belägna mellan dessa båda yttre, andra mittpunkter som en tre-nivåomriktare, så att ett tåg av positiva, negativa och nollnivåpulser alstras på fasutgången.

10. Anordning enligt krav 9, kännetecknad därav, att inrätt- ningen är anordnad att styra nämnda medel (23) att i den alter- nativa driftsformen i b) ställa in nivån hos växelspänningen hos fasutgången (18) att minska till 2/3 av nivån vid huvuddriftsfor- men.

11. Anordning enligt krav 8, kännetecknad därav, att n=3, att in- rättningen är anordnad att i den alternativa driftsformen styra halvledarelementen hos enheterna (35, 36, 39, 40) mellan de båda närmast fasutgången (18) belägna inre, andra mittpunkter- na (31, 32) och respektive likspänningspol (5, 6) att vara kon- stant tända, och att inrättningen är anordnad att i c) styra halvle- darelementen hos enheterna (37, 38) belägna mellan de båda inre, andra mittpunkterna som en två-nivåomriktare, så att ett tåg av omväxlande positiva och negativa pulser alstras på fasut- gången. 10 15 20 25 30 35 m 840 19

12. Anordning enligt krav 11, kännetecknad därav, att inrätt- ningen är anordnad att i den alternativa driftsformen i b) styra nämnda medel (23) att ställa in nivån hos växelspänningen hos fasutgången (18) att vara 1/3 av nivån vid huvuddriftsformen.

13. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda halvledarelement (10-13) är IGBT-er (lnsula- ted Gate Bipolar Transistor).

14. Anordning enligt något av kraven 1-12, kännetecknad därav, att nämnda halvledarelement (10-13) är GTO-er (Gate Turn-Off thyristor).

15. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att nämnda likspänningssida är bildad av ett likspännings- nät för överföring av högspänd likström (HVDC) och växelspän- ningsfasledningen tillhör ett växelspänningsfasnät.

16. Anordning enligt något av kraven 1-14, kännetecknad därav, att den ingår i en SVC (Static Var Compensator) med likspän- ningssidan bildad av fritt hängande kondensatorer och växel- spänningsledningen tillhörande ett växelspänningsnät.

17. Förfarande för styrning av en anordning för omriktning av växelspänning till likspänning och vice versa, vilken innefattar en mellan två poler (5, 6), en positiv och en negativ, hos en likspän- ningssida hos anordningen anordnad seriekoppling av minst fyra enheter (1-4) vardera innefattande ett släckbart halvledarelement (10-13) och en därmed antiparallellt kopplad diod (14-17), en växelspänningsfasledning (19) ansluten till en första mittpunkt, benämnd fasutgång (18), på seriekopplingen mellan två enheter under uppdelande av seriekopplingen i två lika delar, varvid likspänningssidans båda poler är lagda på väsentligen samma spänning men med motsatta tecken i förhållande till en nollspän- ningsnivå hos likspänningssidan, varvid en andra mittpunkt (24, 29, 31) mellan två nämnda enheter hos den ena delen hos serie- 10 15 20 25 30 35 520 840 20 kopplingen via en flygande kondensator (25, 33, 34) är ansluten till en med avseende på fasutgången motsvarande andra mitt- punkt (26, 30, 32) hos seriekopplingens andra del, varvid anord- ningen dessutom innefattar en inrättning (27) för styrande av enheternas halvledarelement, samt varvid inrättningen vid en första huvuddriftsform hos anordningen styr enheternas halvle- darelement så att ett tåg av pulser med bestämda amplituder en- ligt ett pulsbreddsmoduleringsmönster alstras på anordningens fasutgång genom omväxlande anslutning av fasutgången till åt- minstone likspänningssidans pluspol, minuspol samt var och en av nämnda andra mittpunkter genom att enheten/enheterna mel- lan en annan andra mittpunkt och närmaste likspänningspol samt enheten/enheterna mellan ifrågavarande andra mittpunkt och fasutgången görs ledande, för att ge fasutgången en spännings- nivå motsvarande en summa av spänningen hos nämnda när- maste likspänningspol och spänningen över den flygande kon- densatorn, kännetecknat därav, att vid önskemål därom överför inrättningen anordningen till en andra, alternativ driftsform ge- nom att: a) styra halvledarelementen hos enheten/enheterna mellan res- pektive nämnda andra mittpunkt och närmaste likspännings- pol att vara konstant tända för konstant anslutning av res- pektive andra mittpunkt till likspänningspolens potential, b) styra nivån hos växelspänningen hos fasutgången att minska relativt nivån vid huvuddriftsformen till att vara högst den an- del av nivån vid huvuddriftsformen som motsvarar andelen enheter av seriekopplingen belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna konstant anslutna mittpunkter av det totala antalet enheter hos seriekopplingen, och c) styra halvledarelementen hos enheterna belägna mellan nämnda båda andra, till likspänningspolerna konstant an- slutna mittpunkter så att det alstras ett tåg av pulser med de olika nivåer som är möjliga med en i denna driftsform genom enheterna mellan de båda andra mittpunkterna förbundna med respektive likspänningspotential bildad temporär omrik- tare. 10 15 20 25 30 35 520 840 21

18. Förfarande enligt krav 17, kännetecknat därav, att vid den alternativa driftsformen i b) inrättningen (27) styr nivån hos växelspänningen hos fasutgàngen (18) genom att styra en lind- ningskopplare (23) ansluten till en transformator (22) anordnad mellan fasutgàngen och växelspänningsfasledningen (19) för att reducera spänningen hos fasutgàngen i den alternativa driftsfor- men relativt huvuddriftsformen.

19. Förfarande enligt krav 17 eller 18, kännetecknat därav, att inrättningen (27) överför anordningen till den andra, alternativa driftsformen när den effekt som skall överföras genom anord- ningen mellan dess likspännings- och växelspänningssida är högst den andel av den av anordningen i huvuddriftsformen no- minellt överförbara effekten som motsvarar andelen enheter av seriekopplingen belägna mellan nämnda båda andra, till likspän- ningspolerna konstant anslutna mittpunkter av det totala antalet enheter hos seriekopplingen.

20. Förfarande enligt något av kraven 17-19, kännetecknat därav, att inrättningen styr omriktaranordningen att vid övergång mellan huvuddriftsformen och den alternativa driftsformen hålla styrkan hos strömmen igenom anordningen lika med eller lägre än den högst tillåtna nominella nivån hos den vid huvuddriftsfor- men.

21. Förfarande enligt något av kraven 17-20, kännetecknat därav, att det är en anordning med endast två nämnda andra mittpunkter (24, 26) och som fungerar som en tre-nivåomriktare i huvuddriftsformen som styrs, och att inrättningen (27) i den andra, alternativa driftsformen i c) styr halvledarelementen hos enheterna (2, 3) belägna mellan de båda andra mittpunkterna som en två-nivåomriktare, så att ett tåg av omväxlande positiva och negativa pulser alstras på fasutgàngen. 10 15 20 25 30 35 520 840 22

22. Förfarande enligt krav 21, kännetecknat därav, att i d) inrätt- ningen styr nivån hos växelspänningen hos fasutgàngen (18) att minska till hälften av nivån vid huvuddriftsformen.

23. Förfarande enligt något av kraven 17-20, kännetecknat därav, att det är en anordning med en seriekoppling av 2 n en- heter som styrs, varvid n är ett heltal 2 3, att (n-1) par av nämnda andra mittpunkter (29-32) belägna i motsvarande positioner rela- tivt fasutgàngen (18) på motsatta sidor av denna är förbundna med varandra genom en flygande kondensator (33, 34), och att i den andra, alternativa driftsformen hos anordningen i a) halvle- darelementen hos enheten/enheterna mellan en andra mittpunkt hos något av paren av andra mittpunkter (29-32) och respektive likspänningspol (5, 6) styrs att vara konstant tända för konstant anslutning av denna andra mittpunkt och ävenledes den mot- satta, till samma par hörande andra mittpunkten till närmaste likspänningspolspotential.

24. Förfarande enligt krav 23, kännetecknat därav, att n=3, och att vid den alternativa driftsformen i a) inrättningen styr halvle- darelementen hos enheten/enheterna (35, 40) mellan respektive yttre, andra mittpunkt (29, 30) som ligger närmast respektive likspänningspol och likspänningspolen att vara konstant tända, och att inrättningen i c) styr halvledarelementen hos enheterna (36-39) belägna mellan dessa båda yttre, andra mittpunkter som en 3-nivåomriktare, så att ett tåg av positiva, negativa och nollni- våpulser alstras på fasutgàngen.

25. Förfarande enligt krav 24, kännetecknat därav, att inrätt- ningen vid den alternativa driftsformen i b) styr nivån hos växel- spänningen hos fasutgàngen (18) att minska till 2/3 av nivån vid huvuddriftsformen.

26. Förfarande enligt krav 23, kännetecknat därav, att n=3, och att i den alternativa driftsformen inrättningen styr halvledarele- menten hos enheterna (35, 36, 39, 40) mellan de båda närmast fasutgàngen (18) belägna inre, andra mittpunkterna (31, 32) och 10 15 20 , i . . = t 520 840 23 respektive Iikspänningspol (5, 6) att vara konstant tända, och att_ i c) inrättningen styr halvledarelementen hos enheterna (37, 38) belägna mellan de båda inre, andra mittpunkterna som en två-ni- våomriktare, så att ett tåg av omväxlande positiva och negativa pulser alstras på fasutgången.

27. Förfarande enligt krav 26, kännetecknat därav, att inrätt- ningen i den alternativa driftsformen i b) styr nivån hos växel- spänningen hos fasutgången (18) att vara 1/3 av nivån vid hu- vuddriftsformen.

28. Datorprogram som kan laddas direkt in i internminnet hos en dator, vilket innefattar mjukvarukodpartier för styrande av stegen enligt något av kraven 17-27 när programmet körs på en dator.

29. Datorprogram enligt krav 28 tillhandahållet åtminstone delvis över ett nätverk såsom Internet.

30. Datorläsbart medium med ett därpå registrerat program ut- format att bringa en dator att styra stegen enligt något av kraven 17-27.